Sensore di Temperatura a Fibra Ottica: Sensibilità da Record con l’Effetto Vernier Armonico Potenziato

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di qualcosa che mi appassiona da matti: come spingere al limite la tecnologia per misurare le cose in modo sempre più preciso. Nello specifico, parliamo di temperatura. Sembra banale, vero? Eppure, misurarla con estrema accuratezza è fondamentale in tantissimi campi: pensate all’industria petrolchimica, alla sicurezza alimentare, alla medicina, persino all’esplorazione delle risorse terrestri!

La Sfida della Sensibilità nei Sensori a Fibra Ottica

Da tempo noi ricercatori lavoriamo sui sensori di temperatura a fibra ottica. Perché? Beh, sono fantastici: piccolissimi, velocissimi, immuni ai disturbi elettromagnetici (un bel vantaggio!), sicuri, non inquinano e permettono misure a distanza. Ne esistono di diversi tipi: basati su reticoli di Bragg, risonanza plasmonica superficiale (SPR), interferometri Mach-Zehnder (MZI), Sagnac (SI) e, i miei preferiti per questo progetto, gli interferometri Fabry-Pérot (FPI).

Il problema? Molti di questi sensori, pur essendo robusti e facili da costruire, non hanno una sensibilità stratosferica. E in molte applicazioni industriali moderne, avere una sensibilità altissima è proprio quello che serve per fare la differenza, per migliorare l’efficacia e l’efficienza delle misurazioni. Quindi, la domanda è: come possiamo pompare al massimo la sensibilità?

Una tecnica interessante è l’effetto Vernier ottico, proposto per la prima volta nel 2014. Immaginate due righelli con graduazioni leggermente diverse: sovrapponendoli, anche un piccolo spostamento relativo crea uno spostamento molto più grande del punto in cui le linee si allineano. L’effetto Vernier nei sensori funziona in modo simile, amplificando la risposta del sensore. Fantastico, no? Sì, ma c’è un “ma”: richiede che i due interferometri usati siano “accordati” in modo molto preciso, il che complica la fabbricazione.

La Nostra Idea: L’Effetto Vernier Armonico Potenziato (Enhanced HVE)

Qui entra in gioco la nostra idea, che combina due concetti potenti: l’effetto Vernier potenziato (Enhanced Vernier Effect) e l’effetto Vernier armonico (Harmonic Vernier Effect – HVE).

Cosa significa “potenziato”? Significa che usiamo due interferometri (nel nostro caso, due FPI) che sono entrambi sensibili alla temperatura, ma reagiscono in modo opposto: uno “vede” la temperatura salire e sposta il suo segnale verso lunghezze d’onda maggiori (red-shift), l’altro fa il contrario, spostandosi verso lunghezze d’onda minori (blue-shift). In questo modo, si aiutano a vicenda ad amplificare il segnale, molto più di un effetto Vernier normale.

E “armonico”? L’HVE, proposto nel 2019, rilassa i requisiti di “accordo” preciso tra i due FPI. Invece di avere intervalli spettrali liberi (FSR – Free Spectral Range) quasi identici, possiamo averne uno che è un multiplo intero (armonico, appunto!) dell’altro. Nel nostro caso, abbiamo fatto in modo che l’FSR di un FPI fosse circa il doppio dell’altro (armonica di primo ordine, i=1). Questo rende la fabbricazione molto più tollerante agli errori, senza sacrificare la sensibilità. Anzi! L’HVE guarda alle intersezioni delle “inviluppo interne” dello spettro, permettendo misure ancora più accurate.

Quindi, mettendo insieme queste due idee, abbiamo creato un sensore basato sull’Effetto Vernier Armonico Potenziato (Enhanced HVE). L’obiettivo? Massima sensibilità e fabbricazione più semplice.

Come Abbiamo Costruito i Nostri Sensori (S1 e S2)

Abbiamo realizzato due versioni del sensore, chiamate S1 e S2. Entrambe usano due FPI in parallelo. Il cuore pulsante è il PDMS (polidimetilsilossano), una specie di silicone super sensibile alle variazioni di temperatura.

• FPI1: È una cavità riempita di PDMS all’interno di una piccola ferula ceramica (un tubicino preciso). Quando la temperatura sale, il PDMS si espande e il suo indice di rifrazione cambia. L’effetto netto è uno spostamento dello spettro verso il rosso (sensibilità positiva).
• FPI2 (per S1) e FPI3 (per S2): Sono simili, ma la cavità è d’aria. Il trucco sta nel fatto che una delle “pareti” della cavità è formata da un sottile film di PDMS depositato sulla faccia della ferula. Quando la temperatura sale, questo film si espande “chiudendo” leggermente la cavità d’aria. Risultato? Lo spettro si sposta verso il blu (sensibilità negativa). Abbiamo creato FPI2 e FPI3 con lunghezze di cavità leggermente diverse per ottenere FSR circa doppi rispetto a FPI1, ma con una piccola differenza tra loro (detuning).

La fabbricazione richiede precisione chirurgica! Abbiamo usato fibre ottiche monomodali standard, ferule ceramiche, PDMS e colla UV. Un sistema di taglio e allineamento di precisione con microscopi (CCD) e un analizzatore di spettro ottico (OSA) ci ha permesso di controllare in tempo reale la creazione delle cavità FPI della lunghezza desiderata (parliamo di micron!) mentre inserivamo le fibre nelle ferule. Non è stato banale, ma il risultato sono sensori piccolissimi (le ferule sono lunghe circa 10 mm), robusti e potenzialmente a basso costo.

La Prova del Nove: I Test di Laboratorio

Una volta costruiti i sensori, li abbiamo messi alla prova. Li abbiamo collegati a una sorgente di luce a banda larga (BBS) e a un OSA, e li abbiamo infilati in una camera climatica di precisione per variare la temperatura da 30°C a 35°C (e fino a 60°C in altri test), mantenendo l’umidità costante.

Prima abbiamo testato gli FPI singoli:

• FPI1: Sensibilità di +0.46 nm/°C (spostamento verso il rosso).
• FPI2: Sensibilità di -1.19 nm/°C (spostamento verso il blu).
• FPI3: Sensibilità di -2.46 nm/°C (spostamento verso il blu).

Come previsto, FPI1 ha sensibilità positiva, FPI2 e FPI3 negativa. Perfetto per l’effetto potenziato!

Poi è toccato ai sensori combinati S1 (FPI1 // FPI2) e S2 (FPI1 // FPI3):
Guardando lo spettro combinato, non seguiamo un singolo picco, ma l’intersezione delle inviluppo interne (nel nostro caso, Dip 4 per S1 e Dip 5 per S2), che è molto più sensibile grazie all’effetto HVE.

I risultati? Da capogiro!

• S1: Sensibilità di -44.39 nm/°C! Un’amplificazione enorme rispetto agli FPI singoli.
• S2: Sensibilità di -23.14 nm/°C. Anch’essa altissima, ma inferiore a S1.

Questa differenza tra S1 e S2 conferma che il “detuning” (la piccola differenza nell’accordo degli FSR) ha un impatto significativo sull’amplificazione finale della sensibilità. S1, con un detuning minore, ha performato meglio. I valori sperimentali sono molto vicini a quelli che avevamo calcolato teoricamente.

Affidabilità al Top: Ripetibilità e Stabilità

Un sensore super sensibile è inutile se non è affidabile. Così abbiamo fatto altri test. Abbiamo ripetuto le misure di temperatura su S1 e S2 a distanza di tempo (ogni mezzo mese, per quattro volte). I risultati sono stati estremamente consistenti, con sensibilità medie di -43.07 nm/°C per S1 e -23.68 nm/°C per S2, e ottima linearità (coefficienti R² vicinissimi a 1). Questo dimostra una buona ripetibilità.

Poi abbiamo testato la stabilità: abbiamo tenuto i sensori a temperatura costante (30°C e 33°C) per 90 minuti, registrando lo spettro ogni 10 minuti. Le fluttuazioni della lunghezza d’onda misurata sono state minime. Per S1, l’errore massimo di misura dovuto a queste fluttuazioni è stato stimato in appena 0.01°C! Per S2, circa 0.014°C. Anche gli FPI singoli si sono dimostrati molto stabili. Questo significa che i nostri sensori sono non solo sensibili, ma anche stabili e precisi.

Abbiamo anche calcolato il limite di rilevamento (DL), cioè la minima variazione di temperatura che il sensore può misurare con precisione. Grazie all’enorme aumento di sensibilità dato dall’Enhanced HVE, i DL di S1 e S2 sono risultati migliori di quasi un ordine di grandezza rispetto agli FPI singoli.

Perché il Nostro Sensore è Speciale?

Confrontando il nostro lavoro con altri sensori di temperatura HVE presenti in letteratura, possiamo dire che il nostro si difende alla grande. La struttura parallela di due FPI è relativamente semplice da realizzare, il PDMS è un ottimo materiale termosensibile e l’uso dell’Enhanced HVE ci ha permesso di raggiungere sensibilità tra le più alte riportate (-44.39 nm/°C), superata solo da pochi altri lavori che però usavano strutture forse più complesse o materiali particolari. Il nostro approccio offre quindi un eccellente compromesso tra prestazioni elevate, facilità di fabbricazione e basso costo.

In Conclusione: Un Passo Avanti nella Misurazione della Temperatura

Sono davvero entusiasta dei risultati! Siamo riusciti a creare un sensore di temperatura a fibra ottica che sfrutta l’effetto Vernier armonico potenziato per ottenere una sensibilità eccezionale. Abbiamo dimostrato che funziona, è ripetibile, è stabile e ha il potenziale per essere prodotto a costi contenuti. Credo che questa tecnologia abbia ottime prospettive di applicazione in tutti quei settori dove una misura di temperatura ultra-precisa fa davvero la differenza. È un altro piccolo passo avanti nel fantastico mondo dei sensori fotonici!

Fonte: Springer