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Inside a pressure vessel, a ribbon of glass was tested up to 0.40 MPa. The flat optical fiber produced up to 1,000 times greater pressure sensitivity than a comparable circular design, according to researchers at Sweden’s KTH Royal Institute of Technology and the UK’s University of Southampton.
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.
Optical fiber is not only a glass thread for carrying data. Stretching, pressure, or heat can alter its physical and optical properties, and engineers can infer the force by tracking changes in light. Conventional cylindrical fiber is particularly useful for forces along its length, but responds less strongly to transverse forces and hydrostatic pressure around it. That limits the sensitivity available where pressure is the quantity to measure.
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.
The team built its High Aspect Ratio Flat Fiber, or HARFF, as a flat structure from the preform stage rather than flattening a finished round fiber. The resulting geometry can approach 20:1 in aspect ratio. Two elongated air channels make the structure deliberately asymmetric: pressure deforms the ribbon, changes its birefringence—the difference in how two light polarizations travel through the glass—and shifts the interference pattern between two identical fiber Bragg gratings.
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.
The pressure sensor showed a peak-to-valley response of 7.24 dB/MPa and, with another analysis method, sensitivity of up to 31.6 radians/MPa. Temperature cross-sensitivity was less than 1% of the pressure sensitivity. The same platform also sensed heat after one channel was filled with a tin-based alloy: silica’s thermal expansion coefficient is roughly 0.5 × 10⁻⁶/K, versus around 23 × 10⁻⁶/K for the alloy, so heating creates stress in the surrounding glass.
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.
So what changes, concretely? Engineers gain a tunable sensing platform in which width, thickness, wall thickness, internal channels, waveguide position, and channel-filling materials can be adjusted to concentrate stress where it produces the strongest optical signal. More than 120 m was drawn from a single experimental preform, demonstrating that the unusual geometry can be manufactured. Pawel Maniewski, a KTH researcher, called it “a new design space for optical fiber.” For now, the evidence is a laboratory proof of concept, not a sensor demonstrated in deployed conditions.
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.