Pourquoi les réseaux gravés en biais peuvent-ils détecter les changements dans le liquide environnant ?
Les réseaux fibre optique inclinés (Tilted Fiber Grating, TFG ou TFBG) sont capables de détecter les variations des liquides environnants, le mécanisme physique clé étant le couplage des modes de gaine (Cladding Mode Coupling) induit par la rupture de la symétrie spatiale.
1. Pourquoi les réseaux fibre optique (FBG) standards ne peuvent-ils pas détecter les liquides ?
Dans un réseau fibre optique standard, les stries du réseau sont perpendiculaires à l’axe de la fibre (c’est-à-dire un angle d’inclinaison \theta = 0^\circ ).
Dans cette configuration, le mode fondamental du cœur (mode LP_{01} ) transmis vers l’avant ne peut se coupler par réflexion qu’avec le mode fondamental du cœur transmis vers l’arrière. L’énergie du champ électromagnétique du mode fondamental du cœur est fortement concentrée à l’intérieur du cœur de la fibre (dont le diamètre n’est généralement que d’environ 9\ \mu\text{m} ), entouré d’une épaisse gaine de verre (diamètre typique de 125\ \mu\text{m} ). Les changements d’indice de réfraction du liquide environnant et de l’environnement n’affectent en rien le champ optique à l’intérieur du cœur, rendant ainsi les FBG standards totalement insensibles à l’indice de réfraction des liquides environnants.
2. Rupture de symétrie et couplage des modes de gaine dans les réseaux inclinés
Lorsque vous « gravez en biais » (c’est-à-dire que les stries du réseau forment un angle d’inclinaison \theta avec la normale à l’axe de la fibre), la symétrie cylindrique d’origine de la fibre est brisée :
- Excitation des modes de gaine : Dans cette structure inclinée, le mode fondamental du cœur transmis vers l’avant, en passant par la zone du réseau, n’est pas seulement couplé au mode fondamental du cœur transmis vers l’arrière, mais est également fortement couplé à une série de modes de gaine (Cladding Modes, tels que plusieurs modes LP_{lm} d’ordres différents) transmis vers l’arrière (ou vers l’avant dans le cas de réseaux inclinés à grand angle Ex-TFG).
- Environnement externe comme condition limite : Contrairement au mode fondamental profondément enfermé dans le cœur, les modes de gaine sont des modes de propagation optique dans la gaine de la fibre. Comme il n’y a pas de revêtement protecteur à l’extérieur de la fibre, la frontière extérieure de la gaine est en contact direct avec l’environnement externe (par exemple, le liquide à tester). Par conséquent, l’indice de réfraction du liquide environnant (Surrounding Refractive Index, SRI, souvent noté n_{\text{surr}} ) sert directement de condition limite pour la propagation des modes de gaine.
3. Comment l’indice de réfraction du liquide modifie le spectre ?
Selon la condition d’adaptation de phase, la longueur d’onde de résonance \lambda_{\text{cl}, i} du couplage du mode fondamental du cœur au i -ème mode de gaine transmis vers l’arrière est donnée par la formule suivante :
\lambda_{\text{cl}, i} = (n_{\text{eff}}^{\text{core}} + n_{\text{eff}}^{\text{cl}, i}) \frac{\Lambda}{\cos \theta}
Où :
- n_{\text{eff}}^{\text{core}} est l’indice de réfraction effectif du mode fondamental du cœur.
- n_{\text{eff}}^{\text{cl}, i} est l’indice de réfraction effectif du i -ème mode de gaine.
- \Lambda est la période du réseau le long de l’axe.
- \theta est l’angle d’inclinaison des stries du réseau.
Lorsque les propriétés du liquide environnant changent (par exemple, changement de concentration, de composition, ou passage de l’eau à l’éthanol, etc.), l’indice de réfraction du liquide n_{\text{surr}} change en conséquence. Cela affecte directement la frontière physique de la gaine, modifiant ainsi l’indice de réfraction effectif n_{\text{eff}}^{\text{cl}, i} de ce mode.
Observé dans le spectre de transmission via un spectrographe optique (OSA), vous remarquerez :
- Dérive de longueur d’onde : Les pics d’absorption (longueurs d’onde de résonance \lambda_{\text{cl}, i} ) correspondant à chaque mode de gaine se décalent vers la gauche ou vers la droite.
- Changement d’intensité et de profondeur d’atténuation : Lorsque l’indice de réfraction du liquide approche celui de la gaine (environ 1.444 pour la silice), les modes de gaine correspondants se transforment progressivement en modes rayonnants qui fuient, entraînant un amincissement voire une disparition des pics de résonance.
Grâce à une calibration précise et à la démodulation spectrale, les réseaux inclinés peuvent détecter et mesurer en temps réel l’indice de réfraction, la concentration et les indicateurs biochimiques des liquides environnants avec une très haute sensibilité.
Note sur la gamme de produits OFSCN®
La technologie des réseaux fibre optique inclinés (TFG / TFBG) est principalement utilisée dans des domaines académiques spécifiques tels que les laboratoires de précision, la détection biochimique et la calibration d’indices de réfraction. Actuellement, les réseaux fibre optique inclinés (TFG) ne font pas partie de la gamme de produits standardisés principaux de 大成永盛 (OFSCN®).
Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) se concentre principalement sur les réseaux fibre optique standards de haute qualité (FBG), les capteurs de température à réseau fibre optique haute température (par exemple, capteurs de classe 500^\circ\text{C} et 800^\circ\text{C} ), les réseaux fibre optique nus à haute résistance/faible diamètre, et les capteurs de forme à fibre optique multi-cœurs.
Si vos applications d’ingénierie nécessitent une surveillance du niveau de liquide, OFSCN® propose des capteurs de niveau basés sur le principe éprouvé de la différence de température thermique (utilisant la différence de température entre le liquide et l’air pour la discrimination) :
OFSCN® Fiber Bragg Grating Liquid Level Sensor
Ce produit ne dépend pas de l’indice de réfraction du liquide environnant, mais utilise un blindage en acier inoxydable pour un encapsulage thermosensible, offrant une meilleure stabilité dans des environnements industriels complexes, de génie civil (barrages) ou chimiques extrêmes et rigoureux. Les images du produit sont les suivantes :
