Fiber optiğin kırılma indisi sıcaklıkla değişir mi?

OFSCN Global Teknik Merkezi OFSCN Teknik Bilgi Bankası
1

Sıcaklık değiştiğinde ışığın içindeki hızı neden değişir? Bu, sıcaklığı ölçmenin prensibi midir?

2

Bu, optik fiber algılamanın özüne inen çok derin ve temel bir fizik problemidir. Cevap evettir: Sıcaklık değişimi gerçekten de ışığın fiber içindeki yayılma hızını değiştirir ve bu, birçok fiber optik sıcaklık ölçüm teknolojisinin (özellikle fiber optik ızgara sıcaklık ölçümü) temel fiziksel prensibidir.

Fiziksel mekanizmadan mühendislik uygulamalarına kadar aşağıda titiz bir akademik analiz sunulmaktadır:

Bir: Neden sıcaklık değiştiğinde içindeki ışığın hızı değişir?

Işığın bir ortamda (örneğin silika fiber çekirdek) yayılma hızı v , aşağıdaki klasik fizik formülü ile belirlenir:

v = \frac{c}{n}

Burada:

  • c boşluktaki ışık hızıdır (sabit değer).
  • n ortamın kırılma indisidir (fiber için, genellikle çekirdeğin etkin kırılma indisi n_{\text{eff}} olarak adlandırılır).

Sıcaklık T değiştiğinde, fiber malzemenin mikroskobik durumu (elektronik bant yapısı, kafes titreşimleri ve polarize edilebilirlik gibi) değişir, bu da ortamın kırılma indisi n 'nin değişmesine neden olur. Bu fiziksel olaya termo-optik etki denir.

Kırılma indisinin sıcaklığa göre değişim oranını nicel olarak tanımlamak için termo-optik katsayıyı (Thermo-optic Coefficient) \frac{dn}{dT} kullanırız:
Kuvars (silika) fiber için, termo-optik katsayısı pozitiftir ve yaklaşık olarak 1.1 \times 10^{-5}\ \text{K}^{-1} 'dir. Bu şu anlama gelir:

  • Sıcaklık arttığında, fiberin kırılma indisi n buna göre artar.
  • Hız formülüne göre, kırılma indisi n artarsa, içindeki ışık hızı v buna bağlı olarak yavaşlar (azalır).
  • Sıcaklık azaldığında, kırılma indisi n azalır ve ışık hızı v hızlanır.

İki: Bu sıcaklık ölçüm prensibi mi?

Evet, bu tam olarak fiber optik sıcaklık sensörlerinin temel çalışma mekanizmasıdır.

Endüstriyel ve bilimsel araştırmalarda en yaygın kullanılan Fiber Bragg Grating (FBG) sıcaklık sensörleri örneğinde, sıcaklık ölçüm prensibi tamamen bu fiziksel etkiye dayanmaktadır.

Fiber ızgaranın yansıtma merkezi dalga boyu (Bragg dalga boyu) formülü şöyledir:

\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda

Burada:

  • n_{\text{eff}} fiber çekirdeğinin etkin kırılma indisidir.
  • \Lambda ızgara periyodudur (yani, ızgara çizgilerinin uzaysal aralığı).

Ortam sıcaklığı \Delta T değiştiğinde, bu dalga boyunu iki fiziksel boyutta etkiler:

  1. Termal genleşme etkisi (Thermal Expansion Effect): Fiber ısıtıldığında fiziksel olarak deforme olur, bu da ızgara periyodunun \Lambda uzamasına neden olur. Etkisi, termal genleşme katsayısı \alpha tarafından belirlenir.
  2. Termo-optik etki (Thermo-optic Effect): Kırılma indisi n_{\text{eff}} buna göre değişir (yani, ışık hızı değişir, bu da faz koşulunu değiştirir). Etkisi, termo-optik katsayısı \xi = \frac{1}{n_{\text{eff}}} \frac{dn_{\text{eff}}}{dT} tarafından belirlenir.

Sonuç olarak, dalga boyu kayması miktarı \Delta \lambda_B ile sıcaklık değişimi miktarı \Delta T arasındaki fiziksel ilişki formülü şöyledir:

\Delta \lambda_B = \lambda_B ( \alpha + \xi ) \Delta T

Temel Nicel Analiz:

Standart silika tek modlu fiberde:

  • Termal genleşme katsayısı \alpha yaklaşık 0.5 \times 10^{-6}\ \text{K}^{-1} ;
  • Termo-optik katsayısı \xi yaklaşık 6.7 \times 10^{-6}\ \text{K}^{-1} .

Buradan görüleceği üzere, termo-optik katsayısı \xi , termal genleşme katsayısı \alpha 'dan bir büyüklük derecesi daha büyüktür. Sıcaklık kaynaklı dalga boyu kaymasının tamamında, termo-optik etki (yani kırılma indisi/ışık hızı değişimi) duyarlılığın yaklaşık %80 ila %90’ını oluşturur. Bu nedenle, sıcaklık değişiminin ışık hızını değiştirme süreci, fiber optik ızgara sıcaklık sensörlerinin ana sıcaklık ölçüm mekanizmasını oluşturur.

Üç: Bu prensibe dayalı OFSCN® (Cheng Yong Sheng) Ürünleri

Beijing Cheng Yong Sheng Technology Co., Ltd., silika fiberin termo-optik etkisine dayanarak, sıcaklık değişimlerinin neden olduğu dalga boyu kaymasını hassas bir şekilde algılayabilen profesyonel fiber optik ızgara sıcaklık sensörleri geliştirmiştir.

Bu sensörler, dış stresin fibere olan etkisini ortadan kaldıran hassas dikişsiz çelik boru kapsülleme teknolojisi ile daha doğru ve kararlı sıcaklık ölçümü sağlar:

1. OFSCN® 100°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor

2. OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor

3. OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor

4. OFSCN® 800°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor

Özetle, sıcaklığın ortamdaki ışığın faz hızını değiştirmesi (yani kırılma indisini değiştirmesi), doğadaki son derece zarif bir fiziksel kuraldır ve fiber optik algılama teknolojisi, bu fiziksel kuralın mühendislikte en başarılı uygulamalarından biridir.