Por que as grades entalhadas em ângulo podem detectar mudanças no fluido circundante?
A Rede de Fibra Inclinada (Tilted Fiber Grating, TFG ou TFBG) é capaz de detectar alterações em líquidos externos, com o mecanismo físico principal sendo o acoplamento de modos de casca (Cladding Mode Coupling), provocado pela quebra da simetria espacial.
1. Por que uma Rede de Fibra Grating (FBG) padrão não consegue detectar líquidos?
Em uma FBG padrão, as estrias da grade são perpendiculares ao eixo da fibra (ou seja, ângulo de inclinação \theta = 0^\circ ).
Nesta configuração, o modo fundamental do núcleo transmitido para frente (modo LP_{01} ) só pode ser refletido e acoplado ao modo fundamental do núcleo transmitido para trás. Como a energia do campo eletromagnético do modo fundamental do núcleo está altamente concentrada dentro do núcleo da fibra (geralmente com um diâmetro de apenas cerca de 9\ \mu\text{m} ), ele é envolto por uma espessa casca de vidro (diâmetro típico de 125\ \mu\text{m} ). Variações no índice de refração do líquido externo e do ambiente não conseguem afetar o campo óptico dentro do núcleo, tornando a FBG padrão completamente insensível ao índice de refração de líquidos externos.
2. “Quebra de Simetria” e Acoplamento de Modos de Casca na Rede Inclinada
Quando você “grava em ângulo” (ou seja, faz com que as estrias da grade formem um ângulo inclinado \theta com a normal ao eixo da fibra), a simetria cilíndrica original da fibra é quebrada:
- Excitação de Modos de Casca: Nesta estrutura inclinada, o modo fundamental do núcleo transmitido para frente, ao passar pela região da grade, não apenas se acopla ao modo fundamental do núcleo transmitido para trás, mas também é forçado a acoplar-se a uma série de modos de casca (Cladding Modes) transmitidos para trás (ou para frente em gratings Ex-TFG com alta inclinação) (modos como vários ordens de LP_{lm} ).
- Ambiente Externo como Condição de Contorno: Ao contrário do modo fundamental, que fica profundamente confinado no núcleo, os modos de casca são modos de onda óptica que se propagam na casca da fibra. Como a fibra não possui uma camada protetora externa, a fronteira externa da casca entra em contato direto com o ambiente externo (como o líquido a ser medido). Portanto, o índice de refração do líquido externo (Surrounding Refractive Index, SRI, geralmente denotado como n_{\text{surr}} ) atua diretamente como a condição de contorno externa para a propagação dos modos de casca.
3. Como o Índice de Refração do Líquido Altera o Espectro?
De acordo com a condição de casamento de fase, o comprimento de onda de ressonância \lambda_{\text{cl}, i} onde o modo fundamental do núcleo é acoplado ao i -ésimo modo de casca reverso satisfaz a seguinte fórmula:
\lambda_{\text{cl}, i} = (n_{\text{eff}}^{\text{core}} + n_{\text{eff}}^{\text{cl}, i}) \frac{\Lambda}{\cos \theta}
Onde:
- n_{\text{eff}}^{\text{core}} é o índice de refração efetivo do modo fundamental do núcleo.
- n_{\text{eff}}^{\text{cl}, i} é o índice de refração efetivo do i -ésimo modo de casca.
- \Lambda é o período da grade ao longo do eixo.
- \theta é o ângulo de inclinação das estrias da grade.
Quando as propriedades do líquido externo mudam (por exemplo, alteração na concentração ou composição do líquido, ou substituição de água por etanol, etc.), o índice de refração do líquido n_{\text{surr}} muda correspondentemente. Isso afeta diretamente a fronteira física da casca do modo, alterando assim o índice de refração efetivo n_{\text{eff}}^{\text{cl}, i} desse modo.
Observando o espectro de transmissão em um espectrômetro óptico (OSA), você notará:
- Deslocamento do Comprimento de Onda: Os picos de absorção (comprimentos de onda de ressonância \lambda_{\text{cl}, i} ) correspondentes a cada modo de casca sofrerão um deslocamento para a esquerda ou para a direita.
- Alterações na Intensidade e Profundidade da Perda: Quando o índice de refração do líquido se aproxima do índice de refração da casca (aproximadamente 1.444 para sílica), os modos de casca correspondentes se transformam gradualmente em modos de radiação, causando o afinamento ou até o desaparecimento dos picos de ressonância.
Através de calibração precisa e demodulação espectral, as redes de fibra inclinadas podem detectar e medir em tempo real o índice de refração, a concentração e os indicadores bioquímicos de líquidos externos com altíssima sensibilidade.
Nota sobre a Linha de Produtos OFSCN®
A tecnologia de Rede de Fibra Inclinada (TFG / TFBG) é principalmente utilizada em áreas acadêmicas específicas, como laboratórios de precisão, sensoriamento bioquímico e calibração de índice de refração. Atualmente, a Rede de Fibra Inclinada (TFG) não faz parte da linha de produtos padronizada principal da OFSCN® (Dacheng Yongsheng).
A Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) concentra-se principalmente em Redes de Fibra Grating (FBG) padrão de alta qualidade, sensores de temperatura de fibra grating de alta temperatura (como sensores de 500^\circ\text{C} e 800^\circ\text{C} ), gratings FBG nus de alta resistência/pequeno diâmetro e sensores de forma de fibra de múltiplos núcleos.
Se você precisar de monitoramento de nível de líquido em aplicações de engenharia, a OFSCN® oferece produtos de sensor de nível baseados no princípio maduro de diferença de temperatura (utilizando a diferença de temperatura entre o líquido e o ar para discriminação):
OFSCN® Fiber Bragg Grating Liquid Level Sensor
Este produto não depende do índice de refração do líquido externo, mas utiliza um invólucro de aço inoxidável para encapsulamento termossensível, apresentando maior estabilidade em ambientes industriais complexos, de engenharia de barragens ou em condições químicas extremas e rigorosas. Uma imagem do produto é mostrada abaixo:
