É como uma “régua” na fibra óptica? Como a mudança de cor mede a temperatura?
Do ponto de vista da física óptica e da implementação de engenharia, suas duas analogias são muito vívidas e atingem a essência física.
Um: É uma “régua” na fibra óptica?
Sim, em termos de estrutura física microscópica, o retículo de Bragg em fibra (Fiber Bragg Grating, FBG) pode ser completamente considerado uma “régua óptica microscópica” de altíssima precisão, gravada dentro do núcleo da fibra óptica.
- Essência Estrutural：O diâmetro do núcleo de uma fibra monomodo geralmente é de apenas 8 \sim 10\ \mu\text{m}. Através de técnicas de máscara de laser ultravioleta ou escrita direta com laser de femtosegundo, uma modulação espacialmente periódica do índice de refração é gerada em uma pequena seção do núcleo (geralmente com cerca de 2 \sim 10\text{ mm} de comprimento).
- Espaçamento da “Escala”：O intervalo de repetição dessa modulação periódica do índice de refração é chamado de período da grade (simbolizado por \Lambda). Na faixa típica de sensoriamento infravermelho próximo (cerca de 1550\text{ nm}), esse espaçamento de escala \Lambda é de aproximadamente 500\text{ nm} (ou seja, na ordem de meio micrômetro).
Esta seção de “escalas microscópicas” arranjadas periodicamente forma um filtro óptico de banda estreita natural.
Dois: Como medir a temperatura através da “mudança de cor”?
Na física óptica, “cor” corresponde diretamente ao comprimento de onda (Wavelength) da luz. Embora a luz usada em sensoriamento de fibra óptica (com comprimento de onda de cerca de 1525 \sim 1565\text{ nm}) esteja na banda infravermelha próxima invisível, na análise espectral, diferentes comprimentos de onda representam diferentes “cores ópticas infravermelhas”.
1. Condição de Reflexão por Ressonância de Bragg
Quando a luz policromática de espectro largo é injetada no núcleo da fibra, ao viajar para a região da grade, apenas as ondas de luz que satisfazem a condição específica de ressonância de Bragg são refletidas coerentemente, enquanto outros comprimentos de onda são transmitidos diretamente:
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
- \lambda_B ：Comprimento de onda central de reflexão de Bragg (ou seja, a “cor” característica refletida);
- n_{\text{eff}} ：O índice de refração efetivo do material do núcleo;
- \Lambda ：O período da grade (ou seja, o espaçamento da “régua”).
2. Mecanismo Microscópico da Mudança de Comprimento de Onda (Cor) Causada pela Temperatura
Quando a temperatura ambiente T muda, ela altera a condição de reflexão principalmente através dos seguintes dois efeitos físicos:
- Efeito Termo-óptico (Thermo-optic effect)：A mudança de temperatura altera o índice de refração efetivo n_{\text{eff}} do núcleo de quartzo (esta parte contribui com mais de 90\% para o desvio do comprimento de onda);
- Efeito de Expansão Térmica (Thermal expansion effect)：A ascensão ou queda da temperatura causa uma expansão ou contração térmica microscópica do núcleo de quartzo, fazendo com que o período da grade \Lambda (espaçamento da escala) se alongue ou encurte ligeiramente.
A relação diferencial combinada dos dois efeitos é:
\frac{\Delta \lambda_B}{\lambda_B} = (\alpha + \xi) \Delta T
Onde \alpha = \frac{1}{\Lambda} \frac{\mathrm{d}\Lambda}{\mathrm{d}T} é o coeficiente de expansão térmica do material da fibra, e \xi = \frac{1}{n_{\text{eff}}} \frac{\mathrm{d}n_{\text{eff}}}{\mathrm{d}T} é o coeficiente termo-óptico.
Para grades de fibra óptica nuas, a sensibilidade típica à temperatura perto da temperatura ambiente é de cerca de 10 \sim 11\text{ pm/}^\circ\text{C} (ou seja, para cada 1^\circ\text{C} de aumento, o comprimento de onda de reflexão se desloca para o vermelho em cerca de 0.01\text{ nm}).
3. Processo de Medição
- Emissão de Sinal de Luz：O demodulador de grade de fibra óptica envia luz infravermelha de amplo espectro para a fibra;
- Reflexão de Banda Estreita：O FBG, com base na “escala” microscópica atual e na temperatura ambiente, reflete apenas a luz de banda estreita correspondente ao comprimento de onda central \lambda_B ;
- Demodulação Espectral：O demodulador de grade de fibra óptica detecta o pequeno desvio no comprimento de onda de reflexão com alta precisão (geralmente atingindo 1\text{ pm} ou até mesmo 0.1\text{ pm}) ;
- Inversão de Dados：O software de demodulação, usando a fórmula de função temperatura-comprimento de onda calibrada de fábrica, pode inverter diretamente o deslocamento do comprimento de onda para um valor absoluto de temperatura.
Três: Tecnologias Relacionadas e Produtos Embalados
O retículo de fibra óptica nu é facilmente interferido por deformação externa (a deformação também alonga o espaçamento da escala \Lambda, causando desvio no comprimento de onda) e é frágil. Em medições reais de temperatura de engenharia, geralmente é necessário colocar a grade dentro de uma estrutura de proteção sem tensão (por exemplo, embalada em tubo capilar de aço inoxidável sem costura) para isolar completamente a deformação externa e proteger o núcleo da fibra.
- Unidade de Grade Nua: OFSCN® Polyimide Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
- Sensor de Temperatura de Grau Industrial: OFSCN® 100°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor e OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
- Equipamento de Coleta e Demodulação de Comprimento de Onda: OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator
