Waiting
로그인 처리 중...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Engineering

Une plate-forme silicium pointe fibre optique télédétection haute résolution et une réponse rapide

Published: January 7, 2019 doi: 10.3791/59026
* These authors contributed equally

Summary

Ce travail rapporte une pointe silicone fibre optique télédétection plate-forme innovante (tr-FOSP) pour la mesure de haute résolution et d’intervention rapide d’une variété de paramètres physiques, notamment la température, de débit et de rayonnement. Les applications de cette Si-FOSP allant de recherche océanographique, industrie mécanique, à l’énergie de fusion.

Abstract

Dans cet article, nous présentons une novateur et prometteuse pratiquement fibre optique plate-forme de télédétection (FOSP) qui nous a proposé et a démontré récemment. Cette FOSP s’appuie sur un interféromètre de Fabry-Perot de silicium (FPI) attaché à l’extrémité de la fibre, dénommée Si-FOSP dans cet ouvrage. Le Si-FOSP génère un interférogramme déterminée par la longueur du trajet optique (OPL) de la cavité de silicium. Mesurande modifie l’OPL et déplace ainsi l’interférogramme. En raison des propriétés optiques et thermiques uniques du matériau silicium, cette Si-FOSP présente un rendement avantageux en termes de sensibilité et la vitesse. En outre, l’industrie de fabrication de silicium mature dote de la Si-FOSP excellente reproductibilité et à moindre coût vers des applications pratiques. Selon les applications spécifiques, soit une version basse-finesse ou haute-finesse serviront, et deux méthodes de démodulation de différentes données seront adoptées en conséquence. Des protocoles détaillés pour fabriquer les deux versions de la Si-FOSP seront fournis. Trois applications représentatives et leurs résultats selon seront montrés. L’un est un thermomètre sous l’eau du prototype pour profiler les thermoclines océan, le second est un débitmètre pour mesurer la vitesse d’écoulement dans l’océan, et le dernier est un bolomètre utilisé pour le contrôle des gaz d’échappement émis par magnétiquement confiné plasma à haute température.

Introduction

Capteurs à fibre optique (FOSs) ont fait l’objet de nombreux chercheurs en raison de ses propriétés uniques, telles que sa petite taille, son faible coût, sa légèreté et son immunité aux interférences électromagnétiques (EMI)1. Ces logiciels libres ont trouvé des applications larges dans de nombreux domaines tels que la surveillance de l’environnement, surveillance de l’océan, exploration pétrolière et des procédés industriels entre autres. Quand il s’agit de la détection de liées à la température, le FOSs traditionnel ne sont pas supérieur en termes de résolution et la vitesse pour les cas où la mesure des minutes et des variations rapides de température est souhaitable. Ces limitations découlent les propriétés optiques et thermiques du matériau en silice fondue sur lesquelles reposent les nombreux FOSs traditionnels. D’une part, le coefficient de thermo-optique (TOC) et coefficient de dilatation thermique (TEC) de silice sont 1.28x10-5 RIU / ° C et 5.5x10-7 m/(m·°C), respectivement ; ces valeurs conduisent à une sensibilité à la température de seulement environ 13 h / ° C autour de la longueur d’onde de 1550 nm. En revanche, la diffusivité thermique, mesure de la vitesse de la température qui changent en réponse à l’échange d’énergie thermique, est seulement 1.4x10-6 m2/s pour la silice ; cette valeur n’est pas supérieure pour améliorer la vitesse des logiciels libres à base de silice.

La plate-forme de télédétection de fibre optique (FOSP) rapportée dans cet article rompt les limitations ci-dessus des logiciels libres à base de silice fondue. Le nouveau FOSP utilise le silicium cristallin comme clé de détection de matériel, qui forme un interféromètre de Fabry-Perot de haute qualité (FPI) à l’extrémité de la fibre, ici dénommée FOSP à pointe de silicium (Si-FOSP). La figure 1 illustre le principe schématique et opérationnels de la tête du capteur, qui est au cœur de la Si-FOSP. La tête du capteur se compose essentiellement d’un silicium FPI, dont le spectre réflexion comporte une série de franges périodiques. Interférence destructive se produit lorsque l’OPL satisfait 2nL = Nλ, où n et L sont l’indice de réfraction et de la longueur de la cavité de silicium FP, respectivement, et N est un entier qui représente l’ordre de l’encoche de la frange. Positions des franges d’interférence sont donc sensibles à la BPO de la cavité de silicium. Selon les applications spécifiques, le silicium FPI peut être transformé en deux types : basse-finesse FPI et haut-finesse FPI. Le FPI basse-finesse a une faible réflectivité pour les deux extrémités de la cavité de silicium, tandis que le FPI haute-finesse a une réflectivité élevée pour les deux extrémités de la cavité de silicium. Les réflectivités des interfaces air silicium et silicium-fibre sont à peu près 30 % et 18 %, donc le seul silicium FPI illustré à la Figure 1 a est essentiellement un FPI basse-finesse. En enduisant une couche mince grande réflectivité (HR) aux deux extrémités, un silicium haute-finesse que FPI est formé (Figure 1 b). Réflectivité de l’enduit de HR (diélectrique ou or) peut être aussi élevée que 98 %. Pour les deux types de Si-FOSP, n et L augmentent lorsque la température augmente. Ainsi, en surveillant l’évolution de la frange, la variation de température peut être déduite. Notez que pour la même quantité de décalage de la longueur d’onde, le FPI haute-finesse donne une meilleure discrimination en raison de l’encoche de frange beaucoup plus étroite (Figure 1C). Alors que le haut-finesse Si-FOSP a une meilleure résolution, la basse-finesse Si-FOSP a une plage dynamique plus étendue. Par conséquent, le choix entre ces deux versions dépend des exigences d’une application spécifique. En outre, en raison de la grande différence de largeur à mi-hauteur (FWHM) du bas-finesse et haute-finesse silicium naissance, leurs méthodes de démodulation du signal sont différents. Par exemple, la FWHM théorique de 1,5 nm est diminué par environ 50 fois à seulement 30 heures lorsque les deux extrémités du silicium seul FPI sont recouverts d’une couche de HR de 98 %. Par conséquent, pour le Si faible-finesse-FOSP, un spectromètre à haute vitesse suffirait pour la collecte de données et le traitement, alors qu’un balayage laser doit être utilisé pour démoduler le haut-finesse Si-FOSP en raison de la FWHM beaucoup plus étroite qui ne peut être résolu ainsi par la spectromètre. Les deux méthodes de démodulation seront expliqués dans le protocole.

Le silicone choisie ici est supérieur pour la détection de la température en termes de résolution. En comparaison, le cot et le TEC de silicium sont 1.5x10-4 RIU / ° C et 2.55x10-6 m/(m∙°C), respectivement, conduisant à une sensibilité à la température d’environ 84.6 h / ° C qui est environ 6,5 fois plus élevé que celui de tous les logiciels libres à base de silice2.  En plus de cette sensibilité beaucoup plus élevée, nous avons démontré une longueur d’onde moyenne suivi méthode pour réduire le niveau sonore et d’améliorer ainsi la résolution pour un capteur de basse-finesse, conduisant à une résolution de la température de 6 x 10-4 ° C 2, en comparaison à la résolution de 0,2 ° C pendant une tout à base de silice FOS3. La résolution est encore améliorée pour être 1.2x10-4 ° C pour une version haute-finesse4.  Le silicone est également supérieure pour détection en termes de vitesse. En comparaison, la diffusivité thermique de silicium est 8.8x10-5 m2/s, qui est 60 fois plus élevé que celui de silice2.  Combiné avec un encombrement réduit (p. ex., 80 µm de diamètre, 200 µm d’épaisseur), le temps de réponse de 0,51 ms pour un silicium que FOS a été démontrée2, en comparaison avec les 16 ms d’un coupleur de silice-micro-fibre astuce température capteur5.  Bien que certaines recherches travaux liés à la mesure de la température à l’aide de film très mince de silicium, comme le matériel de télédétection a été signalé par d’autres groupes6,7,8,9, aucun d'entre eux possède les performances de nos capteurs en termes de résolution ou de vitesse. Par exemple, le capteur avec une résolution de seulement 0,12 ° C et un temps de réponse longue de 1 s a été signalé. 7 qu'une meilleure résolution de température de 0,064 ° C a été rapporté10;  Cependant, la vitesse est limitée par la tête du capteur relativement volumineux. Ce qui rend les mensonges uniques Si-FOSP dans le nouveau procédé de fabrication et un algorithme de traitement des données.

Outre les avantages ci-dessus pour la détection de la température, la Si-FOSP peut également être développé en une variété de capteurs de température liées visant à mesurer les différents paramètres, tels que gaz pression11, air ou l’eau s’écouler12,13 ,14 et rayonnement4,15.  Cet article présente une description détaillée du capteur des protocoles de démodulation fabrication et signal ainsi que trois applications représentatives et leurs résultats.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. fabrication de capteurs de basse-Finesse

  1. Fabriquer les piliers de silicium. Un morceau de tranche de silicium de (DSP) de double-côté-poli 200-µm d’épaisseur de mires en standalone piliers de silicium (Figure 2 a), à l’aide de fabrication standard système micro-électro-mécaniques (MEMS) facilite.
    Remarque : La plaquette à motifs est collée sur une autre plaquette de silicium plus gros à l’aide d’une fine couche de résine photosensible. La force de liaison de la résine photosensible est assez forte pour tenir les piliers verticaux, mais aussi assez faible pour détacher le substrat pour les étapes ultérieures.
  2. Préparer la fibre de lead-in. Enlever le revêtement en plastique de l’extrémité distale d’une fibre optique monomode. Nettoyer la section dépouillée à l’aide d’un tissus imbibé d’alcool. Cliver la fibre nettoyée à l’aide d’un fendoir de fibre optique.
  3. Appliquer une fine couche de colle UV polymérisable sur la face d’extrémité de la fibre de lead-in clivées (Figure 2 b). Mettre une petite goutte de colle UV polymérisable sur un morceau de lame de verre. Mince la couche de colle par enduction centrifuge ou balancer manuellement la lame de verre. Transférer la couche de colle à l’extrémité de la fibre en appuyant sur la face arrière de la fibre de lead-in contre la lame de verre.
  4. Monter un pilier de silicium à l’extrémité de la fibre. Aligner la fibre de lead-in avec un des piliers silicium, dans le même temps surveiller le spectre de réflexion en temps réel du silicium FPI en utilisant un spectromètre. Utiliser une lampe UV pour guérir la colle quand on observe un spectre satisfaisant (Figure 2C).
    Remarque : en général, le processus de durcissement prend environ 10 à 15 minutes.
  5. Détacher le capteur du substrat. Après le UV, la colle est complètement durcie, soulevez la fibre de lead-in ainsi que le pilier de silicium détaché du substrat (Figure 2d).
    NOTE : Certains photorésine résiduelle est resté sur la surface supérieure du pilier silicium (Figure 2e). Pour la plupart des cas, la résine photosensible résiduelle n’affecte pas la fonction du capteur. Si nécessaire, la couche de résine photosensible peut être enlevée par l’alcool.
  6. Examiner la tête de détection fabriqué. Utiliser un microscope pour étudier la géométrie de la tête du détecteur fabriqué. Une image typique d’un capteur fabriqué avec succès se voit dans la Figure 2f.

2. fabrication de capteurs haute-Finesse

  1. Enrober les deux côtés d’une plaquette de silicium avec des miroirs de grande réflectivité. Enduisez un côté d’une plaquette de silicium de double-côté-polie 75-µm d’épaisseur d’une couche or 150 nm, épaisse, à l’aide d’une machine d’enduction PULVERISATION et recouvrir de l’autre côté avec un miroir diélectrique de haute réflectivité (HR).
    Remarque : Le revêtement diélectrique de HR a été réalisé par une entreprise extérieure ; réflectivité de ce revêtement a été testée pour être pas moins de 98 % par la société. Cependant, détaillée des matériaux et la structure du revêtement sont inconnus grâce à la protection de propriété industrielle par la société, voir la Table des matières pour plus d’informations.
  2. Préparer la fibre collimaté lead-in. Épisser une courte section de fibre multimode de classé-index (GI-MMF) avec une fibre monomode et puis, au microscope optique, Cliver le GI-MMF avec un quart de la période de la trajectoire de lumière au sein de la MMF à gauche pour former un fiber collimateur (Figure 3 a ).
    Remarque : Le GI-MMF est utilisé pour élargir le diamètre du champ modale afin qu’un spectre avec une meilleure visibilité peut être obtenu en4,16. La longueur de la GI-MMF, qui est près de 250 µm dans cet ouvrage, est exactement un quart de la période de la trajectoire du rayon.
  3. Attacher un silicium enduit fragmenté de double-face à la fibre de lead-in. Assembler un capteur haute-finesse en suivant les étapes similaires d’attacher un pilier de silicium à l’extrémité de la fibre pour la fabrication de capteurs de basse-finesse (étapes 1,3 – 1,5).
    Remarque : Le côté avec le revêtement diélectrique sera joint à la collimateur pour laisser entrer la lumière qui viennent (Figure 3 b, 3C). Dans ce cas, le pilier antérieur de silicium est remplacé par un fragment de silicium, qui a été modelé pas. À l’avenir, la plaquette de silicium à motifs sera enduite avec les miroirs de grande réflectivité, afin que les capteurs sont plus uniforme et plus facile pour la fabrication. La différence dans les étapes de fabrication de 1,3 à 1,5, c’est qu’un cran de spectres de réflexion avec une bonne visibilité doit être obtenu au préalable avant que la colle a été transférée à la face d’extrémité du collimateur.
  4. Polir le fragment de silicium irrégulière dans une forme circulaire à l’aide d’une fibre machine de polissage.
  5. Examiner la tête de détection fabriqué. Utiliser un microscope pour examiner la tête de détection pour s’assurer que la forme circulaire souhaitable est obtenue (Figure 3d).

3. signal démodulation pour Low-Finesse tr-FOSP

Remarque : Le système utilisé pour la démodulation de la basse-finesse Si-FOSP est montré dans la Figure 4 a. Les étapes détaillées suivantes aident à configurer votre système et effectue le traitement de données.

  1. Connectez une source à large bande bande C pour 1 d’un circulateur optique le port.
  2. Raccorder le port 2 du circulateur optique avec la fibre de la séquence d’initialisation d’un capteur de basse-finesse.
  3. Connectez le port 3 du circulateur optique à un spectromètre à haute vitesse qui communique avec un ordinateur pour stocker les données.
  4. Vérifier le spectre de la sonde pour s’assurer que le système fonctionne correctement. Voir le spectre typique illustré à la Figure 4 b.

4. signal démodulation pour haute-Finesse tr-FOSP

Remarque : Le système utilisé pour la démodulation de la haute-finesse Si-FOSP est montré dans la Figure 5 a. Les étapes détaillées ci-dessous aident à mettre en place le système et faire le post-traitement des données.

  1. Balayer un laser accordable de la DFB à l’aide d’un régulateur de courant.
    Remarque : La tension de crête à crête balayage, qui varie selon les différents lasers et contrôleurs, doit être suffisamment grande pour couvrir l’encoche du spectre.
  2. Branchez la sortie du laser accordable à port 1 d’un circulateur optique.
  3. Raccorder le port 2 du circulateur optique pour un capteur haute-finesse.
  4. Connectez le port 3 du circulateur optique à un photodétecteur.
  5. Utiliser un matériel d’acquisition de données pour lire la sortie du photodétecteur, laquelle est stockée par un ordinateur.
  6. Vérifier le spectre de la sonde pour s’assurer que le système fonctionne correctement. Voir un cadre typique du spectre illustré à la Figure 5 b. Trouver la position de la vallée à l’aide d’un raccord courbe polynomiale.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Tr-FOSP comme un thermomètre sous l’eau pour le profilage des thermoclines océan
Recherche océanographique récente a démontré que le flou de l’imagerie sous-marine découle non seulement de turbidité dans les eaux contaminées, mais aussi de microstructures de température en propre océan17,18. Ce dernier effet a fait l’objet de nombreux océanographes, visant à trouver un moyen efficace pour corriger les images floues19, pour mieux comprendre et améliorer la communication optique dans l’eau, ainsi que de développer des moyens de quantifier la turbulence dans le océan20,21. Le tr-FOSP, utilisé comme une sonde de température a été démontrée pour surpasser son homologue actuel pour mesurer les variations de température rapides de la turbulence de l’eau22. Dans la présente demande, le capteur de basse-finesse illustré à la Figure 1 a avec le système de démodulation du signal dans la Figure 4 a est utilisé. Compte tenu de la performance supérieure de la sonde de température tr-FOSP, il a été développé en un instrument sous-marin breveté23 (Figure 6 a), qui vise à caractériser les thermoclines des eaux libres. Cette sous-section présente les résultats d’un champ d’essai (Figure 6 b) sur le réservoir du ruisseau Flint dans le Mississippi, USA.

C de la figure 6 montre une thermocline mesurée de la Flint Creek Reservoir le 13 septembreth, 2016. La courbe bleue a été obtenue par la sonde de température tr-FOSP, tandis que les courbes rouges et noirs ont été obtenues par deux référence commerciales CTDs (instruments d’océanographie de mesure de conductivité, température et profondeur d’eau de mer). De toute évidence, le capteur de température Si-FOSP est d’accord avec les capteurs de référence, mais avec plus de détails sur les structures de la température (voir l’encart de la Figure 6c) qui peuvent donner un tas d’informations supplémentaires. Les données plus informatives recueillies par la sonde de température tr-FOSP devrait influer beaucoup de branches de recherche océanographique.

Tr-FOSP comme un grand- dynamique -capteur de débit de gamme
Mesure des flux de gaz ou de liquide est essentiel pour divers secteurs académiques et industriels, qui peuvent fournir des informations importantes à l’océanographie, recherche de la météo, des contrôles, transport et surveillance de l’environnement. Résultats représentatifs de la Si-FOSP fonctionne comme un capteur de débit sera démontré. Un Si faible-finesse-FOSP est utilisé pour cette application. Toutefois, étant donné que ce capteur de débit a besoin la tête de détection à être activement chauffée par un autre laser, le système utilisé est légèrement différent de celle illustrée à la Figure 4 a. Plus précisément, un supplément chauffage laser sert à activer la tête, et une description détaillée du système de mesure de débit a été signalé12,13,14.

Figure 7 a montre le capteur de débit Si-FOSP, situé dans un réservoir d’eau, avec une comparaison côte-à-côte pour un capteur de flux commerciaux. Évidemment, l’affichage du capteur fibre s’engage généralement avec celui de la sonde de flux commerciaux, comme illustré à la Figure 7 b; Cependant, le capteur de débit Si-FOSP présente une réponse bien plus claire lorsque l’eau s’écoule calme vers le bas, comme en témoigne la vue rapprochée dans la Figure 7 b.

Tr-FOSP comme une EMI- système immunitaire bolomètre pour la physique des plasmas de haute température
Scientifiques étudie la physique des plasmas de haute température dans les tokamaks cherchent à convertir la puissance de gaz d’échappement des réacteurs de fusion de confinement magnétique dans une émission de photon pour atténuer le flux de chaleur empiété sur le plasma face composants24. Figure 8 a montre l’intérieur d’un tokamak25. L’émission de photon est généralement mesurée par un bolomètre. Bien que résistifs et infrarouges bolomètres vidéo ont atteint une densité de puissance équivalente de bruit (NEPD) de 0,2 W/m2 et 0,23 W/m2, respectivement, dans un laboratoire environnement26,27, ils sont vulnérables à la sévère environnement associé à du plasma à haute température. La Si-FOSP signalé dans cet ouvrage s’impose comme une alternative prometteuse pour les bolomètres existants. Pour obtenir une résolution aussi élevée que possible, la version haute-finesse illustrée à la Figure 1 b sera utilisée. Aussi, légèrement différent du système monocanal démodulation illustré à la Figure 5 a, un système à deux canaux serviront à compenser la dérive du laser en utilisant un autre mannequin référence4,15.

Figure 8 b donne les valeurs mesurées d’un bolomètre Si-FOSP dans un environnement de laboratoire, en comparaison avec un autre bolomètre résistif. Notre bolomètre tr-FOSP a un NEPD de 0,27 W/m2 qui se trouve à proximité de ceux de l’électronique homologues26,27. Notant que le bolomètre tr-FOSP a une résistance inhérente à l’IME se trouve généralement en physique des plasmas de haute température, il est prévu de tenir de grandes promesses vers des applications pratiques dans les tokamaks.

Figure 1
Figure 1 : schémas montrant la faible-finesse (a) et haute-finesse (b) Si-FOSP. (c) simulé des spectres de réflexion des deux versions de Si-FOSPs avec une cavité d’une épaisseur de silicium de 75 µm. La minute Maj du spectre (à partir de solides aux courbes pointillées) est beaucoup mieux fait preuve de discrimination par le capteur haute-finesse. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2 : Fabrication de bas-finesse Si-FOSPs. (étapes de fabrication schématique d’a à e et image (f) d’une tête de capteur fabriqué par rapport à un cheveu humain. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3 : Fabrication de haut-finesse Si-FOSPs. (étapes de fabrication schématique d’a à c et image (d) une sonde fabriquée. Encart en (ré) montre la vue de dessus de la tête du capteur. Fibre multimode GI-MMF, classés-index ; HR, grande réflectivité. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 4
Figure 4 : système b schématique du système démodulation et (b) une image typique du spectre de réflexion pour une Si faible-finesse-FOSP. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 5
Figure 5 : système b schématique du système démodulation et (b) une image typique du spectre numérisé pour une Si haute-finesse-FOSP. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 6
Figure 6 : représentant les résultats comme un thermomètre sous l’eau. (a) deployment image et (b) champ de l’instrument d’un prototype de capteur. (c) mesurée thermocline de Flint Creek Reservoir, Mississippi, USA, le 13 septembreth, 2016. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 7
Figure 7 : représentant les résultats comme un capteur de débit. (a) image d’essais arrangement et (b) la comparaison entre le champ Débit mesuré par le Si-FOSP et celle d’un capteur de flux commerciaux d’écoulement. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 8
Figure 8 : représentant les résultats comme un bolomètre pour recherche de plasma à haute température. a l’image de l’espace interne haute température plasma dans un tokamak25 et (b) résultats dans un environnement de laboratoire de mesure. Ce chiffre est adopté et modifié par rapport à Wikimedia Commons. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Le choix de la taille (longueur et diamètre) du silicium FPI se fait sur le compromis entre les exigences sur la résolution et la vitesse. En général, une taille plus petite offre une vitesse plus élevée, mais réduit également la résolution2. Une courte longueur est avantageuse pour l’obtention d’une vitesse plus élevée, mais il n’est pas supérieur pour obtenir une haute résolution en raison de la FWHM élargi des entailles de la réflexion. À l’aide de revêtements HR pour réduire la FWHM peut aider à améliorer la résolution, mais elle limitera l’étendue dynamique en raison de la démodulation de signaux à l’aide de laser à balayage. Un diamètre plus petit, la vitesse augmente, mais le diamètre doit être plus grand que le diamètre du champ modale de la fibre de lead-in pour qu’un bon spectre peut être atteint. Il, cependant, trouve aussi qu’un diamètre de silicium plus importante que celle de la fibre permet d’améliorer la sensibilité de bolometry en raison de la perte de chaleur de conduction réduite à la fibre4. Par conséquent, le choix de la taille du capteur est fortement tributaire des demandes spécifiques.

Bien que nous démontrons seulement les structures très basiques, des protocoles de fabrication et systèmes de démodulation de signaux pour le tr-FOSP, il existe différentes techniques qui peuvent l’adapter à d’autres applications ou améliorer les performances. Par exemple, au lieu d’utiliser la colle UV polymérisable à fixer le capteur, une fusion technique de l’épissage peut être appliquée pour élever la température de fonctionnement au-dessus de 1 000 ° C,28. Avec une température élevée d’opération, innovantes types de dispositifs photoniques peuvent être faites, comme micro-chauffages, émetteurs infrarouges et des générateurs de bulles. Un autre exemple est le capteur de pression de self-température gaz compensé en utilisant la différence de longueur d’onde lorsque le laser de chauffage est allumé et éteint11. En outre, grâce au développement de nouveaux pics reconnaissance techniques29,30, mesure de la température sur une plage dynamique étendue peut être réalisé.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Un brevet américain (no 9995628 B1) a été publié pour protéger les technologies connexes.

Acknowledgments

Ce travail a été soutenu par l’US Naval Research Laboratory (Nos. N0017315P0376, N0017315P3755) ; U.S. Office of Naval Research (Nos. N000141410139, N000141410456) ; US Department of Energy (Nos. DE-SC0018273, DE-AC02-09CH11466, DE-AC05-00OR22725).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
200 Proof Pure Ethanol Koptec V1001
5 Channels Duplex CWDM Fiber Store 5MDD-ABS-FSCWDM
Butterfly Laser Diode Mounts Tholabs LM14S2
CastAway CTD Yellow Springs Instrument
CTD Seabird SBE 19plus
Current Meter Nortek Vector
Data Acquisition Device National Instruments NIUSB4366
Digital Oscilloscope RIGOL DS1204B 200 MHz 2 GSa/s
Diode Laser Thorlabs LM9LP Wavelength: 632 nm
Fixed BNC Terminator Kit Thorlabs FTK01
Function Waveform Generator  RIGOL DG4162 160 MHz 500 GSa/s
High Precision Cleaver Fujikura CT-32
High Reflection Dielectric Coating Evaporated Coating INC (ECI) Materials and structure of the coating are unknown
I-MON 512 Spectrometer Ibsen Phtonics P/N: 1257110
InGaAs Biased Detector Tholabs DET01CFC FC/PC output:0-10V; Quantity: 2
Laser Diode Qphotonic QFLD-405-20S Wavelength: 405 nm
Laser Diode Current Controller Tholabs LDC 210C 1 A and 100 mA range 
Laser Diode Temperature Controller Tholabs TEC 200C Quantity: 2
Latex Examination Gloves HCS
Micro Slides Corning Incorporated
Narrow Linewidth DFB Laser Eblana EP1550-NLW-B06-100FM Wavelength:1550 nm
Optical Fiber Fusion Splicer Sumitomo electric industries, LTD 3822-2
Optical Microscope and Monitor Ikegami Tsushinki Company PM-127
Optical Spectrum Analyzer Yokogawa AQ6370C wavelength range: 600-1700 nm
Polish Machine ULTRA TEC 41076
Post-mountable Irises Thorlabs Quantity: 2
Pump Laser Gooch and Housego 0400-0974-SM Wavelength: 980 nm
Si Amplified Photodetector Thorlabs PDA36A Wavelength: 350-1100 nm
Silicon wafer University Wafer thickness: 10 µm, 200 µm, 75 µm, 40 µm
Single mode fiber  Corning SMF-28
Single Mode Fused  Fiber Coupler Thorlabs Wavelength: 1550 nm
SM 125 interogrator Micron Optics
Submersible Aquarium Pump Songlong SL-403
Superluminscent LED Denselight Semiconductors DL-BP1-1501A wavelength range:1510-1590 nm
Syringe Pump Cole Parmer 74905-02
Travel Translation Stage Thorlabs LT1
UV curable glue Epoxy Technology PB109077
UVGL-15 Compact UV Lmap UVP P/N:95-0017-09 254/365 nm
Variable Optical Attenuators Tholabs M-VA/00016951 P/N: VOA50-APC

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Lee, B. Review of the present status of optical fiber sensors. Optical Fiber Technology. 9, 57-79 (2003).
  2. Liu, G., Han, M., Hou, W. High-resolution and fast-response fiber-optic temperature sensor using silicon Fabry-Perot cavity. Optics Express. 23, 7237-7247 (2015).
  3. Hatta, A. M., Rajan, G., Semenova, Y., Farrell, G. SMS fibre structure for temperature measurement using a simple intensity-based interrogation system. Electronics Letters. 45, 1069 (2009).
  4. Sheng, Q., Liu, G., Reinke, M. L., Han, M. A fiber-optic bolometer based on a high-finesse silicon Fabry-Perot interferometer. Review of Scientific Instruments. , 065002 (2018).
  5. Ding, M., Wang, P., Brambilla, G. Fast-response high-temperature microfiber coupler tip thermometer. IEEE Photonics Technology Letters. 24, 1209-1211 (2012).
  6. Berthold, J. W., Reed, S. E., Sarkis, R. G. Reflective fiber optic temperature sensor using silicon thin film. Optical Engineering. 30, 524-528 (1991).
  7. Kajanto, I., Friberg, A. T. A silicon-based fibre-optic temperature sensor. Journal of Physics E: Scientific Instruments. 21, 652-656 (1988).
  8. Schultheis, L., Amstutz, H., Kaufmann, M. Fiber-optic temperature sensing with ultrathin silicon etalons. Optics Letters. 13, 782-784 (1988).
  9. Zhang, S., et al. Temperature characteristics of silicon core optical fiber Fabry-Perot interferometer. Optics Letters. 40, 1362-1365 (2015).
  10. Cocorullo, G., Corte, F. G. D., Iodice, M., Rendina, I., Sarro, P. M. A temperature all-silicon micro-sensor based on the thermo-optic effect. IEEE Transactions on Electron Devices. 44, 766-774 (1997).
  11. Liu, G., Han, M. Fiber-optic gas pressure sensing with a laser-heated silicon-based Fabry-Perot interferometer. Optics Letters. 40, 2461-2464 (2015).
  12. Liu, G., Hou, W., Qiao, W., Han, M. Fast-response fiber-optic anemometer with temperature self-compensation. Optics Express. 23, 13562-13570 (2015).
  13. Liu, G., Sheng, Q., Hou, W., Han, M. Optical fiber vector flow sensor based on a silicon Fabry-Perot interferometer array. Optics Letters. 41, 4629-4632 (2016).
  14. Liu, G., Sheng, Q., Geraldo, R. L. P., Hou, W., Han, M. A fiber-optic water flow sensor based on laser-heated silicon Fabry-Perot cavity. Proceedings of SPIE. 9852, 98521B (2016).
  15. Reinke, M. L., Han, M., Liu, G., Gv Eden, G., Evenblij, R., Haverdings, M. Development of plasma bolometers using fiber-optic temperature sensors. Review of Scientific Instruments. 87, 11E708 (2016).
  16. Zhang, Y., et al. Fringe visibility enhanced extrinsic Fabry-Perot interferometer using a graded index fiber collimator. IEEE Photonics Journal. 2, 469-481 (2010).
  17. Hou, W. Ocean sensing and monitoring. , SPIE Press. (2013).
  18. Hou, W., Woods, S., Jarosz, E., Goode, W., Weidemann, A. Optical turbulence on underwater image degration in natural environments. Applied Optics. 51, 2678-2686 (2012).
  19. Hou, W., Jarosz, E., Woods, S., Goode, W., Weidemann, A. Impacts of underwater turbulence on acoustical and optical signals and their linkage. Optics Express. 21, 4367-4375 (2013).
  20. Nootz, G., Jarosz, E., Dalgleish, F. R., Hou, W. Quantification of optical turbulence in the ocean and its effects on beam propagation. Applied Optics. 55, 8813-8820 (2016).
  21. Nootz, G., Matt, S., Kanaev, A., Judd, K., Hou, W. Experimental and numerical study of underwater beam propagation in a Rayleigh-Bénard turbulence tank. Applied Optics. 56, 6065-6072 (2017).
  22. Matt, S., et al. A controlled laboratory environment to study EO signal degradation due to underwater turbulence. Proceedings of SPIE. 9459, 94590H (2015).
  23. Han, M., Liu, G., Hou, W. Fiber-optic temperature and flow sensor system and methods. U.S. Patent. , 9995628 B1 (2018).
  24. Kallenbach, A., et al. Impurity seeding for tokamak power exhaust: from present devices via ITER to DEMO. Plasma Physics and Controlled Fusion. 55, 124041 (2013).
  25. Alcator C-Mod. , Available from: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Alcator_C-Mod_Tokamak_Interior.jpg (2018).
  26. Meister, H., Willmeroth, M., Zhang, D., Gottwald, A., Krumrey, M., Scholze, F. Broad-band efficiency calibration of ITER bolometer prototypes using Pt absorbers on SiN membranes. Review of Scientific Instruments. 84, 123501 (2013).
  27. Peterson, B. J., et al. Development of imaging bolometers for magnetic fusion reactors. Review of Scientific Instruments. 79, 10E301 (2008).
  28. Liu, G., Sheng, Q., Dam, D., Hua, J., Hou, W., Han, M. Self-gauged fiber-optic micro-heater with an operation temperature above 1000 °C. Optics Letters. 42, 1412-1415 (2017).
  29. Liu, G., Hou, W., Han, M. Unambiguous peak recognition for a silicon Fabry-Perot interferometric temperature sensor. Journal of Lightwave Technology. 36, 1970-1978 (2018).
  30. Liu, G., Sheng, Q., Hou, W., Han, M., High-resolution, High-resolution, large dynamic range fiber-optic thermometer with cascaded Fabry-Perot cavities. Optics Letters. 41, 5134-5137 (2016).

Tags

Ingénierie numéro 143 fibre optique de détection mesure de température par interféromètre silicium Fabry-Perot capteurs de débit bolometry
Une plate-forme silicium pointe fibre optique télédétection haute résolution et une réponse rapide
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Liu, G., Sheng, Q., Hou, W., Reinke, More

Liu, G., Sheng, Q., Hou, W., Reinke, M. L., Han, M. A Silicon-tipped Fiber-optic Sensing Platform with High Resolution and Fast Response. J. Vis. Exp. (143), e59026, doi:10.3791/59026 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter