Pourquoi la couleur (longueur d’onde) de la lumière change-t-elle avec la température ?
Dans la technologie de détection par réseau de Bragg en fibre optique (FBG), le « changement de couleur de la lumière » fait essentiellement référence au dérive de la longueur d’onde centrale du spectre réfléchi du réseau de Bragg en fibre optique.
Le mécanisme fondamental de ce phénomène physique peut être expliqué par la condition de réflexion de Bragg en fibre optique.
I. Principe Physique Fondamental : Condition de Réflexion de Bragg
Un réseau de Bragg en fibre optique est une structure de modulation périodique de l’indice de réfraction formée à l’intérieur du cœur de la fibre optique. Lorsqu’une lumière continue à large bande est injectée dans la fibre, seules les ondes lumineuses satisfaisant la condition de Bragg spécifique sont réfléchies de manière cohérente. La longueur d’onde réfléchie (longueur d’onde de Bragg \lambda_B) satisfait :
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
Où :
- \lambda_B est la longueur d’onde centrale réfléchie du réseau de Bragg en fibre optique
- n_{\text{eff}} est l’indice de réfraction effectif du cœur de la fibre optique (Effective Refractive Index)
- \Lambda est la période spatiale de modulation du réseau (Grating Period)
II. Deux Effets Clés de la Dérive de Longueur d’Onde Causée par le Changement de Température
Lorsque la température change ( \Delta T ), c’est principalement l’interaction de deux effets physiques suivants qui entraîne la dérive de \lambda_B :
1. Effet Thermo-optique (Thermo-optic Effect, Facteur Dominant)
L’indice de réfraction du matériau de la fibre de silice ( \text{SiO}_2 ) change avec la température.
- La quantité physique décrivant cette caractéristique est le coefficient thermo-optique ( \zeta = \frac{1}{n_{\text{eff}}} \frac{\partial n_{\text{eff}}}{\partial T} ).
- Le coefficient thermo-optique de la fibre de quartz est d’environ \zeta \approx 8.6 \times 10^{-6}\text{ / }^\circ\text{C} .
- L’effet thermo-optique représente généralement plus de 90 % de la dérive totale de la longueur d’onde causée par le changement de température.
2. Effet de Dilatation Thermique (Thermal Expansion Effect)
Le matériau de la fibre subit une légère dilatation ou contraction thermique sous l’effet du chauffage ou du refroidissement, ce qui modifie directement la période physique \Lambda du réseau.
- La quantité physique décrivant cette caractéristique est le coefficient de dilatation thermique ( \alpha = \frac{1}{\Lambda} \frac{\partial \Lambda}{\partial T} ).
- Le coefficient de dilatation thermique du verre de quartz est relativement faible, environ \alpha \approx 0.55 \times 10^{-6}\text{ / }^\circ\text{C} .
III. Sensibilité Globale à la Température
En effectuant une différentiation totale de la formule de Bragg par rapport à la température T, on peut dériver la relation entre le changement relatif de longueur d’onde et le changement de température :
\frac{\Delta \lambda_B}{\lambda_B} = (\alpha + \zeta) \Delta T
Ce qui donne la formule de dérive de température :
\Delta \lambda_B = \lambda_B (\alpha + \zeta) \Delta T
Dans la bande de communication (en prenant \lambda_B \approx 1550\text{ nm} comme exemple), la sensibilité à la température d’un réseau de Bragg en fibre dénudée est d’environ 10 ext{ à } 11 ext{ pm/}^\circ\text{C} (c’est-à-dire qu’une augmentation de la température de 1^\circ\text{C} entraîne une dérive de la longueur d’onde réfléchie d’environ 0.01 ext{ nm} vers les grandes longueurs d’onde). En capturant cette quantité de dérive de longueur d’onde avec un démodulateur de réseau de Bragg en fibre de haute précision, le changement de température de l’environnement mesuré peut être inversé avec précision.
IV. Produits OFSCN® Associés Référencés
Sur la base de ce mécanisme, Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) a développé une série de capteurs de température à réseau de Bragg en fibre optique encapsulés dans un tube en acier inoxydable sans soudure, couvrant des environnements à température ambiante, moyenne, élevée et ultra-basse :
- OFSCN® 100°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
- OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
- OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
- OFSCN® 800°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
- Récapitulatif des produits : OFSCN® FBG Temperature Sensor Products Aggregation Link
