Fibra piatta, sensibilità alla pressione fino a 1.000× maggiore

All’interno di un recipiente a pressione, un nastro di vetro è stato testato fino a 0,40 MPa. La fibra ottica piatta ha prodotto una sensibilità alla pressione fino a 1.000 volte maggiore rispetto a un design circolare comparabile, secondo i ricercatori dell’Istituto reale di tecnologia KTH, in Svezia, e dell’Università di Southampton, nel Regno Unito.

La fibra ottica non è soltanto un filo di vetro per trasportare dati. L’allungamento, la pressione o il calore possono modificarne le proprietà fisiche e ottiche, e gli ingegneri possono dedurre la forza monitorando i cambiamenti nella luce. La fibra cilindrica convenzionale è particolarmente utile per le forze che agiscono lungo la sua lunghezza, ma reagisce meno intensamente alle forze trasversali e alla pressione idrostatica che la circonda. Questo limita la sensibilità disponibile quando la grandezza da misurare è la pressione.

Il team ha realizzato la sua High Aspect Ratio Flat Fiber, o HARFF, come struttura piatta già a partire dalla preforma, invece di appiattire una fibra rotonda finita. La geometria risultante può raggiungere un rapporto d’aspetto di 20:1. Due canali d’aria allungati rendono la struttura volutamente asimmetrica: la pressione deforma il nastro, modifica la sua birifrangenza — la differenza nel modo in cui due polarizzazioni della luce attraversano il vetro — e sposta il pattern di interferenza tra due reticoli di Bragg in fibra identici.

Il sensore di pressione ha mostrato una risposta picco-valle di 7,24 dB/MPa e, con un altro metodo di analisi, una sensibilità fino a 31,6 radians/MPa. La sensibilità incrociata alla temperatura era inferiore all’1% di quella alla pressione. La stessa piattaforma ha rilevato anche il calore dopo il riempimento di un canale con una lega a base di stagno: il coefficiente di espansione termica della silice è di circa 0,5 × 10⁻⁶/K, contro circa 23 × 10⁻⁶/K per la lega, perciò il riscaldamento genera una sollecitazione nel vetro circostante.

Che cosa cambia, concretamente? Gli ingegneri ottengono una piattaforma di rilevamento regolabile, nella quale larghezza, spessore, spessore delle pareti, canali interni, posizione della guida d’onda e materiali di riempimento dei canali possono essere modificati per concentrare la sollecitazione nel punto in cui produce il segnale ottico più forte. Da una singola preforma sperimentale sono stati tratti più di 120 m, dimostrando che la geometria insolita può essere prodotta. Pawel Maniewski, ricercatore di KTH, l’ha definita «un nuovo spazio di progettazione per la fibra ottica». Per ora, le evidenze consistono in una prova di concetto di laboratorio, non in un sensore dimostrato in condizioni operative.