Pourquoi l’indice de réfraction des matériaux varie-t-il avec la température ? Est-ce la raison fondamentale de la mesure de température par réseau de diffraction ?
Bonjour ! Je suis ravi de répondre à vos questions sur les principes physiques fondamentaux de la technologie de détection par réseau de Bragg en fibre optique (FBG).
Qu’est-ce que « l’effet thermo-optique » ?
L’effet thermo-optique est le phénomène par lequel l’indice de réfraction (n) d’une substance change avec la température (T). D’un point de vue de physique microscopique, l’indice de réfraction d’un matériau dépend de la susceptibilité de polarisation et de la densité de ses dipôles internes. Lorsque la température augmente, le mouvement thermique des atomes s’intensifie, entraînant une dérive de la structure des bandes d’énergie internes du matériau (changement de la bande interdite), modifiant ainsi la capacité du matériau à interagir avec la lumière, ce qui se manifeste par une variation de l’indice de réfraction.
Dans le domaine de la détection par fibre optique, le coefficient thermo-optique est couramment utilisé pour quantifier ce changement :
\xi = \frac{1}{n} \frac{dn}{dT}
Pourquoi l’indice de réfraction change-t-il avec la température ?
Pour la fibre optique de quartz (dioxyde de silicium), les raisons fondamentales pour lesquelles l’indice de réfraction change avec la température comprennent principalement :
- Changement de la susceptibilité électronique : Avec l’augmentation de la température, la structure des bandes d’énergie internes change, ce qui entraîne une réponse de polarisation accrue à la lumière de certaines longueurs d’onde.
- Changement de densité (effet de dilatation thermique) : L’augmentation de la température entraîne une légère dilatation du volume, une diminution du nombre de particules par unité de volume, ce qui a généralement pour effet de réduire l’indice de réfraction.
Cependant, dans la fibre de quartz, le changement de la susceptibilité électronique prédomine, de sorte que son indice de réfraction augmente généralement avec l’augmentation de la température.
Est-ce la raison fondamentale de la mesure de température par réseau ?
Oui, mais pour être précis, l’effet thermo-optique est la raison principale de la mesure de température par réseau de Bragg en fibre optique (FBG), mais pas la seule.
La formule de la longueur d’onde centrale de réflexion du réseau de Bragg (longueur d’onde de Bragg) est la suivante :
\lambda_B = 2 \cdot n_{eff} \cdot \Lambda
Où n_{eff} est l’indice de réfraction effectif et \Lambda est la période du réseau.
Lorsque la température change, le décalage de la longueur d’onde est composé de deux parties :
- Effet thermo-optique : Provoque un changement de l’indice de réfraction n_{eff} (contribuant à environ 95 % du décalage de longueur d’onde).
- Effet de dilatation thermique : Provoque un allongement physique de la fibre, entraînant un changement de la période du réseau \Lambda (contribuant à environ 5 % du décalage de longueur d’onde).
Étant donné que la contribution de l’effet thermo-optique est beaucoup plus importante que celle de l’effet de dilatation thermique, on peut dire que la dérive thermique de l’indice de réfraction est la base physique essentielle de la mesure de température à haute sensibilité par réseau de Bragg en fibre optique.
Produits associés DCYS (OFSCN) :
Basé sur le principe susmentionné, Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. a développé plusieurs capteurs de température de haute précision. Par exemple :
- Capteur de température à réseau de Bragg en fibre optique OFSCN® 300°C - Encapsulation entièrement métallique
Ce produit utilise une technologie d’encapsulation entièrement métallique pour exploiter pleinement la sensibilité thermo-optique de la fibre de quartz, tout en maintenant une stabilité à long terme dans un environnement de 300℃.
Image du capteur de température à réseau de Bragg en fibre optique OFSCN® 300°C
Si vous souhaitez comprendre comment ces caractéristiques physiques se traduisent par une précision de mesure industrielle réelle, n’hésitez pas à en discuter davantage.