¿Por qué las rejillas grabadas en ángulo pueden percibir los cambios en los fluidos ambientales?
Las redes de fibra en ángulo (Tilted Fiber Grating, TFG o TFBG) pueden detectar cambios en el líquido circundante. El mecanismo físico central se debe a la ruptura de la simetría espacial que induce el acoplamiento de modos de la revestimiento (Cladding Mode Coupling).
1. ¿Por qué las redes de fibra (FBG) estándar no pueden detectar líquidos?
En las redes de fibra estándar, las estrías de la rejilla son perpendiculares al eje de la fibra (es decir, el ángulo de inclinación \theta = 0^\circ ).
Bajo esta configuración, el modo fundamental del núcleo (modo LP_{01} ) transmitido hacia adelante solo puede acoplarse por reflexión con el modo fundamental del núcleo transmitido hacia atrás. Dado que la energía del campo electromagnético del modo fundamental del núcleo está altamente concentrada dentro del núcleo de la fibra (cuyo diámetro suele ser de solo 9\ \mu\text{m} ), está rodeado por una gruesa revestimiento de vidrio (diámetro típico de 125\ \mu\text{m} ). Los cambios en el índice de refracción del líquido circundante y del entorno no pueden afectar el campo de luz dentro del núcleo, por lo que las FBG estándar son completamente insensibles al índice de refracción de los líquidos circundantes.
2. “Ruptura de simetría” y acoplamiento de modos de revestimiento en redes inclinadas
Cuando se “graba en ángulo” (es decir, las estrías de la rejilla forman un ángulo \theta con la normal al eje de la fibra), la simetría cilíndrica original de la fibra se rompe:
- Excitación de modos de revestimiento: En esta estructura inclinada, el modo fundamental del núcleo transmitido hacia adelante, al pasar por la zona de la rejilla, no solo se acopla al modo fundamental del núcleo transmitido hacia atrás, sino que también se acopla forzosamente a una serie de modos de revestimiento (Cladding Modes, como múltiples órdenes de modos LP_{lm} ) transmitidos hacia atrás (o hacia adelante en redes Ex-TFG con inclinación de gran ángulo).
- Entorno circundante como condición de contorno: A diferencia del modo fundamental, que está confinado profundamente en el núcleo, los modos de revestimiento son modos de onda óptica que se propagan dentro del revestimiento de la fibra. Como la parte exterior de la fibra no está protegida, la frontera exterior del revestimiento está en contacto directo con el entorno circundante (por ejemplo, el líquido a medir). Por lo tanto, el índice de refracción del líquido circundante (Surrounding Refractive Index, SRI, comúnmente denotado como n_{\text{surr}} ) actúa directamente como la condición de contorno para la propagación de los modos de revestimiento.
3. ¿Cómo cambia el índice de refracción del líquido el espectro?
Según la condición de coincidencia de fase, la longitud de onda de resonancia \lambda_{\text{cl}, i} donde el modo fundamental del núcleo se acopla al i -ésimo modo de revestimiento inverso satisface la siguiente fórmula:
\lambda_{\text{cl}, i} = (n_{\text{eff}}^{\text{core}} + n_{\text{eff}}^{\text{cl}, i}) \frac{\Lambda}{\cos \theta}
Donde:
- n_{\text{eff}}^{\text{core}} es el índice de refracción efectivo del modo fundamental del núcleo.
- n_{\text{eff}}^{\text{cl}, i} es el índice de refracción efectivo del i -ésimo modo de revestimiento.
- \Lambda es el período de la rejilla a lo largo del eje.
- \theta es el ángulo de inclinación de las estrías de la rejilla.
Cuando las propiedades del líquido circundante cambian (por ejemplo, cambio en la concentración o composición del líquido, o cambio de agua a etanol), el índice de refracción del líquido n_{\text{surr}} cambia en consecuencia. Esto afecta directamente las fronteras físicas de los modos de revestimiento, alterando así el índice de refracción efectivo n_{\text{eff}}^{\text{cl}, i} de esos modos.
Observando el espectro de transmisión en un espectrómetro óptico (OSA), notarás:
- Desplazamiento de longitud de onda: Los picos de absorción (longitudes de onda de resonancia \lambda_{\text{cl}, i} ) correspondientes a cada modo de revestimiento se desplazarán hacia la izquierda o hacia la derecha.
- Cambio en la intensidad y profundidad de pérdida: Cuando el índice de refracción del líquido se acerca al índice de refracción del revestimiento (aproximadamente 1.444 para la sílice), los modos de revestimiento correspondientes se transformarán gradualmente en modos radiantes y se filtrarán, haciendo que los picos de resonancia se atenúen o incluso desaparezcan.
Mediante una calibración precisa y la decodificación espectral, las redes en ángulo pueden detectar y medir el índice de refracción, la concentración y los indicadores bioquímicos de los líquidos circundantes con una sensibilidad extremadamente alta en tiempo real.
Sobre la línea de productos OFSCN®
La tecnología de redes de fibra en ángulo (TFG / TFBG) se utiliza principalmente en campos académicos específicos como laboratorios de precisión, biosensores y calibración de índices de refracción. Actualmente, las redes de fibra en ángulo (TFG) no forman parte de la línea de productos estandarizados principales de Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®).
Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) se enfoca principalmente en redes de fibra de alta calidad (FBG), sensores de temperatura de fibra de alta temperatura (como sensores de 500^\circ\text{C} y 800^\circ\text{C} ), redes de fibra de alta resistencia/diámetro reducido y sensores de forma de fibra multicapa.
Si necesita monitoreo de nivel de líquido en aplicaciones de ingeniería, OFSCN® ofrece productos de sensores de nivel de líquido basados en el principio de diferencia de temperatura termosensible maduro (que utiliza la diferencia de temperatura entre el líquido y el aire para la discriminación):
OFSCN® Fiber Bragg Grating Liquid Level Sensor
Este producto no depende del índice de refracción del líquido circundante, sino que utiliza un blindaje de acero inoxidable para un encapsulado termosensible, lo que lo hace más estable en entornos severos como aplicaciones industriales, ingeniería de presas o condiciones químicas extremas. La imagen del producto es la siguiente:
