Es como una “regla” en la fibra óptica? ¿Cómo se mide la temperatura a través de los cambios de color?
Desde la perspectiva de la física óptica y la implementación de ingeniería, tus dos analogías son muy vívidas y capturan la esencia física.
Uno: ¿Es una “regla” en la fibra óptica?
Sí, en términos de estructura física microscópica, una red de Bragg en fibra (Fiber Bragg Grating, FBG) puede considerarse completamente como una “regla óptica microscópica” de ultra alta precisión grabada en el interior del núcleo de una fibra óptica.
- Esencia estructural:
El diámetro del núcleo de una fibra óptica monomodo suele ser de solo 8 \sim 10\ \mu\text{m}. Mediante técnicas de enmascaramiento láser ultravioleta o escritura directa con láser de femtosegundo, se genera una modulación del índice de refracción periódica espacialmente en una pequeña sección del núcleo (generalmente de unos 2 \sim 10\text{ mm} de longitud). - Espaciado de la “escala”:
El intervalo de repetición de esta modulación periódica del índice de refracción se denomina período de la red (simbolizado por \Lambda). En la banda de ondas típicas de sensores infrarrojos cercanos (aproximadamente 1550\text{ nm}), este espaciado \Lambda es de alrededor de 500\text{ nm} (es decir, del orden de medio micrómetro).
Esta sección de “escala microscópica” dispuesta periódicamente constituye un filtro óptico natural de banda estrecha.
Dos: ¿Cómo medir la temperatura a través del “cambio de color”?
En física óptica, el “color” corresponde directamente a la longitud de onda de la luz. Aunque las ondas de luz comúnmente utilizadas en la detección de fibra óptica (longitud de onda de aproximadamente 1525 \sim 1565\text{ nm}) se encuentran en la banda infrarroja cercana e invisible, en el análisis espectral, diferentes longitudes de onda representan diferentes “colores ópticos infrarrojos”.
1. Condición de reflexión por resonancia de Bragg
Cuando la luz policromática de amplio espectro se inyecta en el núcleo de la fibra, al propagarse hacia la región de la red, solo las ondas de luz que cumplen la condición específica de resonancia de Bragg se reflejan coherentemente, mientras que el resto de las longitudes de onda se transmiten directamente:
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
- \lambda_B: Longitud de onda central de reflexión de Bragg (es decir, el “color” característico reflejado);
- n_{\text{eff}}: Índice de refracción efectivo del material del núcleo;
- \Lambda: Período de la red (es decir, el espaciado de la “escala”).
2. Mecanismo microscópico del desplazamiento de la longitud de onda (color) causado por la temperatura
Cuando la temperatura ambiental T cambia, se altera la condición de reflexión principalmente a través de los siguientes dos efectos físicos:
- Efecto termo-óptico:
El cambio de temperatura modifica el índice de refracción efectivo n_{\text{eff}} del núcleo de cuarzo (esta parte contribuye en más del 90\% al desplazamiento de la longitud de onda); - Efecto de expansión térmica:
El aumento o la disminución de la temperatura provoca una expansión o contracción térmica microscópica del núcleo de cuarzo, lo que provoca un pequeño alargamiento o acortamiento del período de la red \Lambda (espaciado de la escala).
La relación diferencial combinada de ambos efectos es:
\frac{\Delta \lambda_B}{\lambda_B} = (\alpha + \xi) \Delta T
Donde \alpha = \frac{1}{\Lambda} \frac{\mathrm{d}\Lambda}{\mathrm{d}T} es el coeficiente de expansión térmica del material de la fibra, y \xi = \frac{1}{n_{\text{eff}}} \frac{\mathrm{d}n_{\text{eff}}}{\mathrm{d}T} es el coeficiente termo-óptico.
Para una red de Bragg en fibra desnuda, la sensibilidad típica a la temperatura cerca de la temperatura ambiente es de aproximadamente 10 \sim 11\text{ pm/}^\circ\text{C} (es decir, por cada 1^\circ\text{C} de aumento, la longitud de onda de reflexión se desplaza hacia el rojo en aproximadamente 0.01\text{ nm}).
3. Proceso de medición
- Emisión de señal óptica:
El interrogador de red de Bragg en fibra envía luz infrarroja de banda ancha a la fibra; - Reflexión de banda estrecha:
La FBG, de acuerdo con la “escala” microscópica actual y la temperatura ambiente, solo refleja luz de banda estrecha correspondiente a la longitud de onda central \lambda_B ; - Interrogación espectral:
El interrogador de red de Bragg en fibra detecta el pequeño desplazamiento de la longitud de onda de reflexión con alta precisión (generalmente hasta 1\text{ pm} o incluso 0.1\text{ pm} ); - Inversión de datos:
El software de interrogación, utilizando la fórmula de la función temperatura-longitud de onda calibrada de fábrica, puede invertir directamente el desplazamiento de la longitud de onda en un valor de temperatura absoluto.
Tres: Productos técnicos y de encapsulación relacionados
Las redes de Bragg en fibra desnudas son susceptibles a interferencias de tensión externa (la tensión también estira el espaciado de la escala \Lambda, causando desplazamiento de longitud de onda) y son frágiles y propensas a romperse. En la medición de temperatura de ingeniería real, la red generalmente necesita colocarse dentro de una estructura de protección libre de tensión (como el encapsulado en un tubo capilar de acero inoxidable sin costura) para aislar completamente la tensión externa y proteger el núcleo de la fibra.
- Unidad de red desnuda: OFSCN® Polyimide Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
- Sensor de temperatura de grado industrial: OFSCN® 100°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor y OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
- Equipo de adquisición e interrogación de longitud de onda: OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator
