Ученые из КНИТУ-КАИ совместно с коллегами из молодежной лаборатории интегральной фотоники Пермского государственного национального исследовательского университета спроектировали волоконно-оптический прибор для обнаружения акустических волн в жидкостях. Оптический волоконный гидравлический датчик разработан на основе интерферометра Фабри-Перо с открытым полостным резонатором.
Сфера практического применения разработки — лабораторные исследования в области микробиологии, медицины и экомониторинга, а также перспективные БАС. Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (РНФ) и Министерства науки и высшего образования РФ.
Надо сказать, что волоконно-оптические датчики приобрели значительную популярность в различных областях науки и техники благодаря своим уникальным свойствам, таким как устойчивость к электромагнитным помехам, малые габариты и вес, высокая чувствительность и отсутствие источника питания датчика.
В настоящее время предложен широкий спектр технических решений в области разработки интерферометрических волоконно-оптических датчиков, которые используются для измерения температуры, деформации, давления, показателя преломления, акустических волн, вибрации, напряжения, силы тока, магнитного поля и многого другого. Интерферометры — приборы, действие которых основано на явлении интерференции волн.
Наиболее распространенными типами интерферометрических волоконно-оптических датчиков являются датчики Фабри-Перо, Майкельсона, Маха-Цендера, Саньяка. По сравнению с другими типами волоконно-оптических интерферометров, датчики на основе интерферометра Фабри-Перо (ИФП) обладают такими преимуществами, как компактность, простота конструкции и изготовления.
Ученые сосредоточились на создании оптоволоконного гидравлического датчика на основе интерферометра Фабри-Перо. Авторы проводили теоретическое и практическое исследования, чтобы выявить возможность использования открытой каплевидной полости на конце оптического волокна в качестве безмембранного акустического датчика, который улавливает звуковые колебания, распространяющиеся в жидкой среде.
В исследовании рассматривается пошаговое изготовление макрополости в форме капли на торце оптического волокна, полученное путем формирования массива микрополостей за счет эффекта плавления. Макрополость в подобных приборах выступает в качестве первичного сенсорного элемента.
Предложен альтернативный подход к изготовлению резонатора ИФП с использованием эффекта катастрофического разрушения (плавления) одномодового волокна мощным лазерным источником, в результате которого в сердцевине волокна образуются множественные периодические пустоты с периодом в несколько микрометров. Для получения резонатора такое волокно скалывается в области пустоты, в результате чего образуется каплевидная полость длиной около сотни микрометров, образующая интерферометр Фабри–Перо. Такая полость, скалываемая на сужающемся конце, может служить безмембранным датчиком давления. Граница раздела жидкость — газ в этом случае выполняет роль внешнего отражателя.
Погружение конца оптического волокна в жидкую среду приводит к образованию внутри полости замкнутого газового пузырька, границы которого выступают в качестве зеркал интерферометра. Оптическое излучение, пройдя через такую структуру, преобразуется в гребенчатый спектр, период и контраст которого зависят от геометрических и физических характеристик, а именно, показателей преломления сердцевины оптического волокна, газовой полости и внешней жидкости, а также длины интерферометра.
«Данное направление нас привлекло тем, что оно позволяет заметно улучшить характеристики наших систем, а именно значительно уменьшить габариты сенсора, — уточняет заведующий кафедрой радиофотоники и микроволновых технологий КНИТУ-КАИ Артем Кузнецов. — Это актуально, например, для биосенсоров, с помощью которых проводят измерения физических параметров на клеточном уровне. Такие измерения позволят более точно понять механизмы, происходящие на межклеточном уровне, включая вопросы передачи информации между отдельными клетками».
Оценивая коммерческий потенциал своей разработки, ученые отмечают, что подобные сенсоры направлены на решение достаточно узких задач, например, для лабораторных исследований, прежде всего, в области микробиологии и медицины. На базе этих датчиков могут быть разработаны новые виды лабораторного оборудования для микробиологических исследований, что позволит поднять подобные исследования на качественно новый уровень.
«Достойных аналогов таких систем с приемлемой стоимостью нет, — уверенно говорят разработчики. — Недавно к нам обратилось предприятие, занимающееся производством медицинского оборудования и проявило заинтересованность в этом проекте». Кроме того, авторы проекта в течение длительного времени сотрудничают в этом направлении с институтом биохимии и биофизики КазНЦ РАН.
Одна из ключевых особенностей данного сенсорного элемента — его универсальность. После некоторой доработки он может быть использован для измерения других величин, например, концентраций жидких и газообразных веществ, что позволит реализовать на его основе мультисенсорную бортовую систему для БАС нового поколения, решающую широкий круг мониторинговых задач, в том числе в интересах экологического контроля.
