inż. Anna K. Myśliwiec

Czujniki światłowodowe

Wszyscy przywykliśmy już do łącz światłowodowych odpowiedzialnych za dostarczanie Internetu do naszych domów. Niewiele jednak osób wie, że światłowody mogą pełnić również funkcje czujnikowe. W rzeczywistości czujniki światłowodowe to obecnie bardzo różnorodna grupa która cały czas bardzo dynamicznie się rozwija. Żeby zrozumieć ich działanie, musimy jednak najpierw zapoznać się z podstawową budową światłowodu i jego (bardzo skróconą) historią.

Światłowody

Najprostszym światłowodem jaki można sobie wyobrazić, jest strumień wody w powietrzu. Światło wprowadzone do wewnątrz strumienia zakrzywia swój tor zgodnie z torem wody. Na tym zjawisku opierają się wszelkiego rodzaju nocne widowiska w parkach fontann, tak zresztą wyglądały pierwsze eksperymenty przeprowadzone w XIX w. które zapoczątkowały rozwój tej technologii . Na czym więc dokładnie to zjawisko polega?

Światło w powietrzu porusza się, w przybliżeniu, jak w próżni- z prędkością 3*108 m/s. Mówi się, że w powietrzu współczynnik załamania światła jest równy 1 RIU (ang. Refractive Index Unit, czyli umownej jednostki współczynnika załamania). Jednak nie we wszystkich materiałach rozchodzi się tak samo- większość materiałów jest gęstsza optycznie, tak jak woda, której współczynnik załamania jest równy 1.3299 RIU. Światło porusza się w nich odrobinę wolniej i możliwe jest wystąpienie całkowitego wewnętrznego odbicia na granicy z ośrodkiem o niższym współczynniku załamania światła.

Wyobraźmy sobie, że stoimy na brzegu spokojnego jeziora przy zachodzącym słońcu. Promienie słoneczne padają na taflę wody pod tak dużym kątem, że większość z nich się odbija, pozostała część przedostaje się pod wodę. Inaczej wygląda sytuacja, jeśli źródło światła znajduje się pod wodą. Teoretycznie możliwa jest sytuacja w której światło latarki znajdującej się pod wodą całkowicie odbije się od tafli wody i pozostanie w wodzie- to właśnie jest całkowite wewnętrzne odbicie.

Źródło: unsplash.com

Źródło: unsplash.com

Całkowite wewnętrzne odbicie może zajść również w strumieniu wody przelewającej się z naczynia stojącego na stole do innego, ustawionego na podłodze- co zaobserwowali XIX wieczni naukowcy. Światłowód telekomunikacyjny jest zbudowany bardzo podobnie do strumienia wody w powietrzu: cienki pręt szklany, niczym strumień wody, przenosi światło. Aby zapewnić stałe warunki propagacji w światłowodzie, czyli móc transmitować światło niezależnie od warunków zewnętrznych (światłowody mogą przebiegać pod ziemią, pod wodą lub na powietrzu) rdzeń dodatkowo pokrywa się warstwą szkła- płaszczem. Rdzeń i płaszcz, mimo, że wykonane ze szkła, są inaczej domieszkowane, np. germanem lub fluorem, aby uzyskać między nimi różnicę współczynników załamania. Płaszcz pokrywa się z kolei kilkoma warstwami polimerów stanowiących ochronę mechaniczną. Są również światłowody całkowicie polimerowe- nie są one jednak używane w telekomunikacji. Ze względu na to, że charakteryzują się stosunkowo dużym tłumieniem, używa się ich do przekazu informacji na dystansach do 100 metrów.

Czujniki światłowodowe

Branża telekomunikacyjna zadaje sobie wiele trudu, aby odizolować transmitowane światło od wpływu warunków zewnętrznych, żeby sygnał świetlny podróżujący włóknem nie ulegał zmianie. W czujniku wręcz przeciwnie, chcemy, aby widmo transmisyjne (tj. światło na wyjściu układu) ulegało zmianie wraz ze zmianą warunków otoczenia.

Możliwości są dwie: albo trzeba się „dokopać ” do światła transmitowanego w rdzeniu, albo zachęcić światło, żeby wyszło poza rdzeń. Oba sposoby wymagają ingerencji w strukturę światłowodu, przede wszystkim pozbycia się wszystkich polimerowych osłon na fragmencie włókna na którym ma się znajdować element czujnikowy. W pierwszym przypadku można naciąć włókno aż do rdzenia (rys 1), wytrawić bądź zeszlifować płaszcz, lub w ogóle przeciąć włókno (wówczas wykonuje się pomiary w trybie odbiciowym, a elementem czujnikowym jest końcówka włókna). W drugim przypadku dokonuje się modyfikacji rdzenia (laserowo bądź łukiem elektrycznym) tak, aby miejscowo zmienić współczynnik załamania rdzenia. W takim układzie część światła z rdzenia przechodzi do płaszcza i, poruszając się w płaszczu, „omiata” najbliższe otoczenie włókna.

Przekrój włókna w miejscu struktury czujnikowej, tzw. mikrointerferometru Macha-Zehndera

Przekrój włókna w miejscu struktury czujnikowej, tzw. mikrointerferometru Macha-Zehndera. Nacięcie sięga aż do rdzenia światłowodu.

Co czują czujniki światłowodowe?

Zmiany które jest w stanie zaobserwować nasz czujnik można podzielić na dwa rodzaje. Pierwszym jest zmiana kształtu czujnika wynikająca z naprężeń lub skręceń. Kiedy zmieniają się wymiary czujnika zmienia się też droga jaką przebywa światło, a w konsekwencji zmienia się widmo transmisyjne. W ten sposób funkcjonują czujniki naprężeń wtopione w kompozytowe pokrycia samolotów.

Drugi rodzaj to zmiana współczynnika załamania światła w najbliższym otoczeniu czujnika. W ten sposób czujnik może wykryć różnicę pomiędzy wodą a gliceryną lub olejem. Może też pokazać , że ciecz, która go otacza, zgęstniała- na przykład w konsekwencji zmian temperatury lub ciśnienia. Można też, poprzez modyfikację powierzchni (na przykład naniesienie selektywnej warstwy) powodować wiązanie do powierzchni czujnika cząsteczek z otoczenia. Wówczas czujnik stanie się selektywnie wrażliwy na obecność określonych cząsteczek- dzięki temu, że wychwytywane przez selektywną warstwę będą powodowały zmianę grubości na powierzchni czujnika. W ten sposób można stworzyć światłowodowy czujnik glukozy lub określonych szczepów bakterii, których błonę komórkową pokrywają cząsteczki o charakterystycznym kształcie.