Qual o seu período comparado a uma grade comum? Que tipo de coisas especiais podem ser medidas com ele?
O grade de fibra de período longo (LPG, Long-Period Fiber Grating) difere significativamente do grade de fibra de Bragg comum (FBG, Fiber Bragg Grating, ou grade de fibra de período curto) em termos de mecanismos físicos, escala estrutural e domínios de aplicação.
A seguinte explicação acadêmica é apresentada em duas dimensões: comparação de escala de período e aplicações especiais de medição.
Um: Comparação de Período: Quão mais longo é um LPG em comparação com um grade comum?
O “período” de um grade de fibra refere-se ao espaçamento espacial da grade ( \Lambda ) no qual o padrão de modulação do índice de refração muda periodicamente.
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Comparação de Escala:
- Grade de Fibra de Período Curto Comum (FBG): Seu período ( \Lambda_{FBG} ) é tipicamente da ordem de centenas de nanômetros ( \text{nm} ). Por exemplo, na banda de 1550\text{ nm} comumente usada em comunicações e sensoriamento, o período do grade FBG é geralmente de apenas cerca de 500\text{ nm} \sim 540\text{ nm}.
- Grade de Fibra de Período Longo (LPG): Seu período ( \Lambda_{LPG} ) é tipicamente entre dezenas de micrômetros a centenas de micrômetros ( \mu\text{m} ), com uma faixa típica de 100\ \mu\text{m} \sim 1000\ \mu\text{m}.
- Diferença de Magnitude: O período de um LPG é aproximadamente 3 ordens de magnitude maior (ou seja, cerca de 1000 vezes) do que o de um FBG comum.
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Diferença no Mecanismo Físico:
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FBG (Reflexivo): Envolve o acoplamento entre o modo fundamental do núcleo de propagação no mesmo sentido e o modo fundamental do núcleo de propagação no sentido oposto. A condição de Bragg que ele satisfaz é:
\lambda_B = 2 n_{co} \Lambda_{FBG}(onde n_{co} é o índice de refração efetivo do núcleo), manifestando-se como um filtro de banda estreita reflexivo.
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LPG (Transmissivo): Envolve o acoplamento entre o modo fundamental do núcleo de propagação no mesmo sentido e múltiplos modos de revestimento coaxial de propagação no mesmo sentido (Modos de Revestimento). A condição de ressonância que ele satisfaz é:
\lambda_i = (n_{co} - n_{cl}^{i}) \Lambda_{LPG}(onde n_{cl}^{i} é o índice de refração efetivo do modo de revestimento coaxial de ordem i). Como os modos de revestimento se dissipam rapidamente por atenuação na interface entre o revestimento e o revestimento protetor, o LPG é exibido no espectro como uma série de picos de perda de absorção em um espectro de transmissão.
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Dois: O que o LPG pode medir de especial?
Devido ao seu mecanismo único de acoplamento físico, o LPG pode lidar com parâmetros ambientais especiais que os FBGs nus comuns não conseguem medir diretamente:
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Índice de Refração (RI) do Meio Externo:
Esta é a capacidade de medição especial mais representativa do LPG. Como o LPG acopla energia para os modos de revestimento, e o campo eletromagnético dos modos de revestimento (onda evanescente) se expõe diretamente e se estende para o meio externo fora da fibra. Quando o índice de refração do meio externo muda ligeiramente, o índice de refração efetivo n_{cl}^{i} dos modos de revestimento muda significativamente, causando um deslocamento de comprimento de onda extremamente sensível nos picos de ressonância de transmissão.- Cenários de Aplicação: Monitoramento da concentração de soluções químicas, detecção de salinidade/açúcar em líquidos, monitoramento em tempo real de reações bioquímicas (como ligação antígeno-anticorpo). O campo óptico dos FBGs nus comuns é completamente confinado dentro do núcleo, e desde que o revestimento da fibra esteja intacto, ele tem pouca ou nenhuma resposta ao índice de refração do ambiente externo.
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Curvatura (Bending) e Torção (Torsion) de Ultra-alta Sensibilidade:
O LPG é extremamente sensível à assimetria da casca causada por pequenas deformações da própria fibra (especialmente curvatura e torção). A curvatura causa reconstrução de modo e divisão de linha espectral nos modos de casca, tornando-a adequada para medições de alta precisão de deflexão, torção e direção de deformação no monitoramento da integridade estrutural. -
Desacoplamento da Sensibilidade Cruzada de Temperatura e Deformação:
Existem múltiplos picos de ressonância de revestimento diferentes no espectro de transmissão do LPG. Diferentes modos de revestimento têm diferentes coeficientes de sensibilidade à temperatura e deformação. Através da solução de um sistema de equações multivariadas, o LPG pode medir simultaneamente a temperatura e a deformação em um único ponto em uma única fibra, resolvendo o problema da sensibilidade cruzada de temperatura-deformação que os sensores FBG tradicionais têm dificuldade em superar.
Três: Notas Técnicas Oficiais
É importante notar que os grades de fibra de período longo (LPG) atualmente não pertencem à linha de produtos principais da Dacheng Yongsheng (OFSCN®).
Os principais produtos e soluções tecnológicas da Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) concentram-se principalmente na série de produtos de grades de fibra Bragg de período curto (FBG) de alta precisão, alta resistência à temperatura e alta intensidade, incluindo FBG com revestimento de poliimida, FBG nu gravado por laser de femtosegundo, sensores de temperatura e deformação FBG encapsulados em tubo de aço sem costura, etc.