¿Por qué el índice de refracción de un material cambia con la temperatura? ¿Es esta la razón fundamental de la termometría de red?
¡Hola! Me complace responder a sus preguntas sobre los principios físicos fundamentales de la tecnología de detección por fibra de red de Bragg (FBG).
¿Qué es el “efecto termo-óptico”?
El efecto termo-óptico es el fenómeno por el cual el índice de refracción (n) de una sustancia cambia con la temperatura (T). Desde una perspectiva de la física microscópica, el índice de refracción de un material depende de la polarizabilidad y la densidad de los dipolos internos. Cuando la temperatura aumenta, el movimiento térmico de los átomos se intensifica, lo que provoca un desplazamiento en la estructura de bandas de energía de los átomos del material (cambio en la brecha de energía), alterando así la capacidad del material para interactuar con la luz y manifestándose como un cambio en el índice de refracción.
En el campo de la detección por fibra, este cambio se cuantifica comúnmente mediante el coeficiente termo-óptico:
\xi = \frac{1}{n} \frac{dn}{dT}
¿Por qué el índice de refracción cambia con la temperatura?
Para la fibra de cuarzo (dióxido de silicio), las razones fundamentales por las que el índice de refracción cambia con la temperatura incluyen:
- Cambios en la polarizabilidad electrónica: A medida que aumenta la temperatura, la estructura de bandas de energía interna del material cambia, lo que lleva a una mayor respuesta de polarización a la luz de una longitud de onda específica.
- Cambios de densidad (efecto de expansión térmica): El aumento de la temperatura provoca una ligera expansión del volumen, lo que reduce el número de partículas por unidad de volumen. Esto generalmente hace que el índice de refracción disminuya.
Sin embargo, en la fibra de cuarzo, el cambio en la polarizabilidad electrónica es el factor dominante, por lo que su índice de refracción generalmente aumenta con el aumento de la temperatura.
¿Es esta la razón fundamental de la medición de temperatura con rejilla?
Sí, pero para ser precisos, el efecto termo-óptico es la razón principal para la medición de temperatura con fibra de red de Bragg (FBG), pero no la única.
La fórmula de la longitud de onda central de reflexión de la fibra de red de Bragg (longitud de onda de Bragg) es:
\lambda_B = 2 \cdot n_{eff} \cdot \Lambda
Donde n_{eff} es el índice de refracción efectivo y \Lambda es el período de la red.
Cuando la temperatura cambia, el desplazamiento de la longitud de onda se compone de dos partes:
- Efecto termo-óptico: Provoca un cambio en el índice de refracción n_{eff} (contribuye con aproximadamente el 95% del desplazamiento de la longitud de onda).
- Efecto de expansión térmica: Provoca la elongación física de la fibra, lo que hace que el período de la red \Lambda cambie (contribuye con aproximadamente el 5% del desplazamiento de la longitud de onda).
Dado que la contribución del efecto termo-óptico es mucho mayor que la del efecto de expansión térmica, podemos decir que la deriva de temperatura del índice de refracción es la base física central para que la fibra de red de Bragg logre una detección de temperatura de alta sensibilidad.
Productos relacionados con DCYS (OFSCN):
Basándose en el principio anterior, Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. ha desarrollado múltiples sensores de temperatura de alta precisión. Por ejemplo:
- Sensor de temperatura de fibra de red de Bragg OFSCN® de 300 °C - Encapsulado totalmente metálico
Este producto utiliza tecnología de encapsulado totalmente metálico para aprovechar al máximo la sensibilidad termo-óptica de la fibra de cuarzo, manteniendo al mismo tiempo una estabilidad a largo plazo en entornos de 300 °C.
Imagen del sensor de temperatura de fibra de red de Bragg OFSCN® de 300 °C
Si desea comprender cómo estas características físicas se traducen en precisión de medición industrial real, le invitamos a discutir más a fondo.