¿Si la luz sale de la capa exterior de la fibra óptica, aún se puede usar para la detección?
Si la luz se propaga fuera de la capa exterior de la fibra óptica, en la óptica de fibra se denomina excitación de modos de revestimiento (Cladding Modes). Para tu pregunta, la respuesta es sí: la luz que se propaga fuera de la capa exterior de la fibra no solo se puede utilizar para la detección, sino que es uno de los mecanismos físicos más centrales y clave en el campo de la detección ambiental y bioquímica de fibra óptica.
I. ¿Qué son los modos de revestimiento?
En una fibra óptica monomodo estándar, la luz se restringe a través de la reflexión total para transmitirse dentro del núcleo (Core) de aproximadamente 9\ \mu\text{m} de diámetro, lo que se conoce como modo fundamental del núcleo (Core Mode).
Si la estructura de la fibra óptica cambia (por ejemplo, debido a un estiramiento cónico, curvatura, una variación brusca del índice de refracción, o la escritura de un entramado de fibra de período largo (LPG) o un entramado de fibra óptico inclinado (TFBG)), una parte de la luz en el núcleo se acoplará al revestimiento (Cladding) de la fibra y continuará propagándose a lo largo del límite entre el revestimiento y el medio externo (aire, recubrimiento o líquido). El patrón de distribución del campo electromagnético correspondiente a esta parte de la luz son los modos de revestimiento.
II. ¿Cómo detectan los modos de revestimiento?
El campo de luz del modo fundamental del núcleo está profundamente confinado dentro del núcleo y el grueso revestimiento, y no puede entrar en contacto directo con el medio externo. Por lo tanto, es muy insensible a los cambios en el índice de refracción, la composición química y otros factores del entorno externo.
Por el contrario, los modos de revestimiento ofrecen las siguientes ventajas de detección:
- Efecto de onda evanescente (Evanescent Wave): Cuando los modos de revestimiento se propagan, su campo electromagnético, aunque existe principalmente dentro del revestimiento, genera una onda evanescente que se extiende hacia afuera en la interfaz entre el revestimiento y el entorno externo. Esta onda evanescente está directamente expuesta al medio fuera de la fibra óptica.
- Sensibilidad al índice de refracción del entorno: Cuando el índice de refracción n_{\text{ext}} , la concentración o la composición química del medio externo cambian, esto altera directamente el índice de refracción efectivo n_{\text{eff}} del modo de revestimiento. Este cambio se manifestará en la constante de propagación, la fase y la pérdida espectral del modo de revestimiento.
III. Aplicaciones de detección típicas
- Sensores de índice de refracción (RI) de alta precisión: Utilizando entramados de fibra óptica inclinados (TFBG) para acoplar la intensidad de la luz al revestimiento, se puede medir con precisión la concentración, el contenido de azúcar, la salinidad, etc., de líquidos monitoreando el desplazamiento y el cambio de amplitud del pico de resonancia del modo de revestimiento en el espectro.
- Sensores bioquímicos y de gas: La superficie del revestimiento de la fibra óptica desnuda, despojada de su recubrimiento, se modifica con una película sensible específica (como antígenos, anticuerpos o materiales nanoporosos). Cuando las moléculas objetivo se unen a esta película delgada, provocan un cambio significativo en el índice de refracción local. El campo evanescente de los modos de revestimiento puede capturar este cambio con una sensibilidad extremadamente alta, logrando así la detección de cantidades traza de sustancias bioquímicas con una sensibilidad muy alta.
- Detección de nivel de líquido e interfaz: Cuando el entorno en el que se encuentra la fibra óptica cambia de aire a líquido, debido al cambio brusco del índice de refracción en el límite, se filtran modos de revestimiento específicos, lo que provoca una pérdida de intensidad de la luz. Esto permite monitorear el nivel del líquido.
IV. Supresión de “modos de revestimiento” en la detección FBG industrial
Cabe señalar que en los sensores de fibra óptica de Bragg estándar utilizados industrialmente para medir cantidades físicas como temperatura y deformación, los modos de revestimiento son, por el contrario, un “ruido de interferencia” que debe evitarse y suprimirse enérgicamente.
En estos sensores, como el OFSCN® 800°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor, la base de la medición física es el pico de reflexión Bragg del modo fundamental del núcleo. Los modos de revestimiento generan una serie de picos de pérdida parásitos en el lado de longitud de onda corta del pico principal del espectro de reflexión. Si estos picos de pérdida son demasiado fuertes, interferirán gravemente con la búsqueda precisa y el cálculo del pico principal de temperatura por parte del decodificador. Por lo tanto, en la fabricación de fibras ópticas para dichos sensores de precisión (como OFSCN® 300℃ Small diameter optical fiber) y en el proceso de encapsulación, generalmente se utilizan materiales especiales y procesos de encapsulación de alta calidad para suprimir los modos de revestimiento, a fin de garantizar la alta estabilidad y la alta relación señal-ruido del sensor.
