コンパクトハイ

Scientific Reports volume 13、記事番号: 8805 (2023) この記事を引用

662 アクセス

メトリクスの詳細

我々は、散乱媒体に基づいたファイバーブラッググレーティング（FBG）ひずみインテロゲータを実証し、適用されたひずみで校正された安定かつ決定論的なスペックルパターンを生成します。このスペックルパターンは、FBGの後方反射スペクトル成分に大きく依存します。 スペックルパターンの強い波長依存性は、散乱によって光路が効果的に折り畳まれる高分解能波長計に以前は使用されていましたが、不安定性によりそのようなデバイスの実用的な実現は困難でした。 ここでは、機械的安定性を高めるために、平面光ファイバー内のフェムト秒レーザー書き込み散乱体を利用する新しいアプローチを実証します。 1 \(\times\) 0.7 \(\times\) 0.16 mm の体積に 15 面の擬似ランダム化ナノボイド (面あたり 714 \(\times\) 500 のボイド) を 3D 配列として刻み込むことにより、固有の安定性と装置のコンパクト性が向上しました。 波長計として動作すると、1040 ～ 1056 nm の波長範囲にわたって 45 pm の分解能で少なくとも 60 時間安定した状態を維持しました。 反射モード FBG インテロゲータとして、このデバイスは、FBG に引張ひずみを加えてスペックル パターンを校正した後、標準誤差 4 \( \mu \epsilon\)、変換ステージのステップ サイズによって制限されます。 これらすべての特性により、分解能、コンパクトさ、価格、安定性の間で最良のトレードオフを提供する、低コスト、高分解能の波長計およびインタロゲータのニッチ市場を埋めるための興味深い技術となっています。

ファイバ ブラッグ グレーティング (FBG) は、成熟した製造、高感度、多重化の容易さ、および電磁干渉に対する耐性により、土木工学、航空、電気通信を含む多くの業界でセンサーとして広範な研究開発が行われてきました1、2、3。 。 ここでは、FBG の後方反射光によって生成されたスペックル パターンの分析に基づいて、引張ひずみ測定用の FBG インテロゲータを実証します。 このスペクトルから空間へのマッピング パラダイムは、これまで、さまざまな散乱媒体または干渉媒体 4、5、6、7、8 を使用して、決定論的でスペクトル的に固有のスペックル パターンを生成する再構成波長計によって利用されてきました。 我々は、図1に示すように、高解像度の波長計やインタロゲータに適した非常に安定した散乱媒体として機能する、平坦なファイバー内に刻まれた散乱ナノボイドの3Dアレイを開発した。スペックルパターンは、相互干渉の平面投影である。さまざまな散乱点からの光は、1 対 1 のマッピングで特定の波長に対して一意です。 したがって、波長計として動作するには、レーザー光源の波長を調整することで特定の波長のスペックルの校正セットを作成し、線形代数の相関方程式を解くことで校正範囲内の未知の波長信号を再構成できます5、9、10。 、11、12。

(a) フラットファイバー内接散乱/多峰性干渉構造の概略図。 光はシングルモード ファイバを介してフラット ファイバに入り、回折してさまざまなフラット ファイバ モードに結合します。 光が散乱マトリックス (破線構造) に到達すると、光は散乱され、スペックルが検出器で画像化されます。 弾道光は右側から出て、検出器によって追跡されません。 要素は縮尺どおりではありません。 (b) フラットファイバー散乱構造内にレーザーで書き込まれたナノボイドアレイの顕微鏡画像。

コンパクトな散乱媒質内に光路を閉じ込めることで、検出器と散乱媒質のみが必要となる散乱システムの製造が容易かつ低コストになるため、コスト、複雑さ、デバイスの設置面積が削減されます。 これは、波長成分を検出器上で空間的に分離するために分散媒を必要とする従来の波長計/分光計とは対照的です。 このようなシステムでは、バルクプリズムや回折格子を追加のコンポーネント（モノクロメータなど）および線形検出器とともに利用するため、より複雑になり、製造コストが高くなり、より微細な解像度を得るにはより長い光路長が必要となるため、デバイスサイズも大きくなります。 分散媒体ベースのデバイスは小型化する傾向が明らかですが、解像度、デバイスのサイズ、コストの間には明らかなトレードオフが依然として存在します。