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Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 8805 (2023) Citer cet article

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Nous démontrons un interrogateur de contrainte à réseau de Bragg à fibre (FBG) basé sur un milieu de diffusion pour générer des motifs de taches stables et déterministes, calibrés avec la contrainte appliquée, qui dépendent fortement des composantes spectrales de rétro-réflexion du FBG. La forte dépendance à la longueur d'onde des motifs de speckle était auparavant utilisée pour les ondemètres à haute résolution où la diffusion plie efficacement le chemin optique, mais l'instabilité rend la réalisation pratique de tels dispositifs difficile. Ici, une nouvelle approche est démontrée en utilisant des diffuseurs femtosecondes écrits au laser à l'intérieur d'une fibre optique plate, pour améliorer la stabilité mécanique. En inscrivant 15 plans de nanovides pseudo-randomisés (714 \(\times\) 500 vides par plan) sous forme de réseau 3D dans un volume de 1 \(\times\) 0,7 \(\times\) 0,16 mm, la stabilité intrinsèque et la compacité de l'appareil a été améliorée. Fonctionnant comme un ondemètre, il est resté stable pendant au moins 60 h avec une résolution de 45 pm sur la plage de longueurs d'onde de 1 040 à 1 056 nm. En tant qu'interrogateur FBG en mode réflexion, après avoir calibré les motifs de taches en appliquant une contrainte de traction au FBG, l'appareil est capable de détecter des changements de microdéformation dans la plage de 0 à 200 \(\mu \epsilon\) avec une erreur type de 4 \( \mu \epsilon\), limité par la taille du pas de l'étape de traduction. Toutes ces caractéristiques en font une technologie intéressante pour combler le créneau des ondemètres et interrogateurs à haute résolution et à faible coût qui offrent le meilleur compromis disponible entre résolution, compacité, prix et stabilité.

Des recherches et développements approfondis ont été menés sur les réseaux de Bragg à fibre (FBG) en tant que capteurs dans de nombreuses industries, notamment le génie civil, l'aéronautique et les télécommunications, en raison de leur fabrication aboutie, de leur haute sensibilité, de leur facilité de multiplexage et de leur immunité aux interférences électromagnétiques1,2,3. . Ici, nous démontrons un interrogateur FBG pour les mesures de déformation en traction, basé sur l’analyse des motifs de taches générés par la lumière rétroréfléchie FBG. Ce paradigme de cartographie spectrale-spatiale était auparavant exploité par des ondemètres reconstructifs utilisant divers médias de diffusion ou d'interférence4,5,6,7,8 pour générer des motifs de taches déterministes et spectralement uniques. Nous avons développé un réseau 3D de nanovides diffusants, inscrits à l'intérieur d'une fibre plate qui agit comme un milieu de diffusion hautement stable adapté à un ondemètre et un interrogateur à fine résolution, comme le montre la figure 1. Les motifs de taches, qui sont les projections planaires d'interférences mutuelles de la lumière provenant de différents points de diffusion sont uniques pour toute longueur d'onde donnée avec une cartographie un à un. Par conséquent, pour fonctionner comme un ondemètre, l'ensemble d'étalonnage des taches pour des longueurs d'onde données peut être créé en réglant la longueur d'onde d'une source laser, puis un signal de longueur d'onde inconnue dans la plage d'étalonnage peut être reconstruit en résolvant des équations de corrélation d'algèbre linéaire5,9,10. ,11,12.

(a) Schéma de la structure de diffusion/interférence multimodale inscrite dans une fibre plate. La lumière entre via une fibre monomode dans la fibre plate, puis se diffracte et se couple en divers modes de fibre plate. Une fois qu'elle atteint la matrice de diffusion (structure en pointillés), la lumière est diffusée et des taches sont imagées au niveau du détecteur. La lumière balistique sort par le côté droit et n'est pas tracée par le détecteur. Éléments non à l'échelle. (b) Image au microscope d'un réseau de nanovides écrits au laser dans une structure de diffusion à fibres plates.

Le confinement du chemin optique dans le milieu de diffusion compact réduit le coût, la complexité et l'encombrement du dispositif grâce à une fabrication plus facile et moins coûteuse du système de diffusion où seuls un détecteur et un milieu de diffusion sont nécessaires. Cela contraste avec les ondemètres/spectromètres conventionnels, qui nécessitent un milieu dispersif pour séparer spatialement les composantes de longueur d'onde sur un détecteur ; ces systèmes utilisent des prismes ou des réseaux en vrac avec des composants supplémentaires (comme des monochromateurs) et des détecteurs linéaires, ce qui entraîne une plus grande complexité, un coût de fabrication plus élevé et également une plus grande taille de dispositif puisqu'une longueur de trajet plus longue est nécessaire pour une résolution plus fine. Bien qu’il existe une nette tendance à la miniaturisation des dispositifs à support dispersif13,14,15,16, il reste des compromis évidents entre la résolution, la taille du dispositif et le coût.