Summary
Bu eser yenilikçi silikon uçlu fiber optik algılama için bir platform (Si-FOSP) yüksek çözünürlüklü ve hızlı yanıt ölçüm sıcaklığı, akış ve radyasyon gibi fiziksel parametreleri çeşitli raporlar. Bu sı-FOSP uygulamaları Oşinografik araştırma, mekanik sanayi, füzyon enerji araştırma için yayılır.
Abstract
Bu makalede, biz biz önerilen ve son zamanlarda gösterdiği bir yenilikçi ve pratik olarak umut verici fiber optik algılama platformu (FOSP) tanıtmak. Bu FOSP, bu eser Si-FOSP anılacaktır fiber sonuna eklenen bir silikon Fabry-Perot Girişmölçeri (FPI) kullanır. Si-FOSP optik yol uzunluğu silikon boşluğu tarafından (OPL) belirlenen bir interferogram oluşturur. Measurand OPL değiştirir ve böylece interferogram geçer. Benzersiz optik ve termal özelliklerini silikon malzeme nedeniyle, bu Si-FOSP duyarlılık ve hız açısından avantajlı bir performans sergiler. Ayrıca, Olgun silikon imalat sanayi mükemmel tekrarlanabilirlik ve doğru pratik uygulamalar düşük maliyet ile Si-FOSP endows. Bağlı olarak belirli uygulamaları, bir düşük incelik veya yüksek para cezası sürümü kullanılacaktır ve iki farklı veri işlemine demodülasyon yöntemi buna göre kabul edilebilir. Si-FOSP her iki sürümleri imalatı için detaylı protokol sağlanacaktır. Üç temsilcisi uygulama ve göre sonuçları gösterilecek. Sınırlı olduğunu okyanus thermoclines profil oluşturma için prototip sualtı termometre, ikinci bir akış hızı okyanusta ölçmek için bir akış ölçer ve sonuncusu egzoz radyasyondan manyetik olarak izlemek için kullanılan bir Bolometre ilki yüksek sıcaklık plazma.
Introduction
Fiber optik sensörler (FOSs), onun küçük büyüklük, düşük maliyetli, hafif ve onun bağışıklık elektromanyetik parazit (EMI)1gibi benzersiz özellikleri nedeniyle pek çok araştırmacı için odak olmuştur. Bu FOSs çevresel izleme, deniz gözetleme, petrol arama ve diğerleri arasında endüstriyel proses gibi birçok alanda geniş bir uygulaması bulduk. Bu sıcaklık ile ilgili algılama gelince, geleneksel FOSs değildir çözünürlük ve dakika ve hızlı ısı farklılıkları arzu olduğu durumlar için hız açısından üstün. Bu sınırlamalar, birçok geleneksel FOSs temel erimiş silis malzeme optik ve termal özelliklerinden kaynaklanıyor. Bir yandan, Termo-optik katsayısı (TOC) ve termal genleşme katsayısı (TEC) silis 1.28x10-5 RIU / ° C ve 5.5x10-7 m/(m·°C), anılan sıraya göre. Bu değerler yalnızca yaklaşık 13 pm / ° C 1550 nm dalga boyu etrafında bir sıcaklık hassasiyeti neden. Öte yandan, bir ölçüsüdür ve hız ve sıcaklık termal Yayınım yanıt termal enerji değişimi olarak değiştirmek, yalnızca 1.4x10-6 m2/s silis için; Bu değer silis tabanlı FOSs hızını artırmak için üstün değil.
Bu makalesinde bildirilen fiber optik algılama platformu (FOSP) erimiş silis tabanlı FOSs yukarıdaki sınırlamalar tatili. Yeni FOSP kristal silisyum fiber burada silikon uçlu FOSP (Si-FOSP) adlandırılan, ucunda bir yüksek kaliteli Fabry-Perot Girişmölçeri (FPI) formları malzeme algılama anahtar olarak kullanır. Şekil 1 Si-FOSP çekirdeğidir sensör kafa şematik ve çalışma prensiplerini göstermektedir. Sensör kafa aslında bir silikon FPI, periyodik saçaklar bir dizi olan yansıma spektrum özellikleri oluşur. Yıkıcı girişim oluşur OPL 2nL sağladığında nerede n ve m kırılma indisi ve silikon FP kavite, uzunluğu sırasıyla, ve N saçak çentik sırasını bir tamsayı Nλ =. Bu nedenle, girişim saçaklar konumlarını silikon boşluğu OPL için duyarlı vardır. İki türe bağlı olarak belirli uygulamaları, silikon FPI yapılabilir: düşük-incelik FPI ve yüksek para cezası FPI. Yüksek para cezası FPI her iki ucunda da silikon boşluğu için yüksek bir yansıtırlık varken düşük incelik FPI her iki ucunda da silikon boşluğu için düşük bir yansıtırlık vardır. Reflectivities silikon-hava ve silikon lifli arabirimlerinin kabaca % 30 ve % 18, böylece tek silikon Şekil 1a ' gösterilen FPI aslında düşük incelik FPI. Her iki ucundaki ince yüksek-yansıtma (HR) katman kaplama tarafından FPI olduğunu bir yüksek-incelik silikon (Şekil 1b) kurdu. İK kaplama (dielektrik veya altın) yansıtırlık 98 %'si olarak yüksek olabilir. Sıcaklık arttığında Si-FOSP her iki türü için n ve m artırın. Böylece, fringe shift izleyerek, sıcaklık değişimi çıkarılabilir. Dalga boyu shift aynı miktar için daha iyi bir ayrımcılık nedeniyle daha dar saçak çentik (Şekil 1 c) yüksek para cezası FPI verir dikkat edin. Yüksek para cezası Si-FOSP daha iyi çözünürlüğe sahip iken, düşük-incelik Si-FOSP daha geniş bir dinamik aralığı vardır. Bu nedenle, bu iki sürüm arasında seçim belirli bir uygulama gereksinimlerine bağlıdır. Ayrıca, düşük-incelik ve yüksek para cezası silikon FPIs yarım maksimumda (FWHM) tam genişliğinde büyük fark nedeniyle, onların sinyal işlemine demodülasyon yöntemleri farklıdır. Örneğin, teorik FWHM 1.5 nm azalır tarafından hakkında 50 kere daha 30 pm ne zaman her iki ucunda da tek silikon FPI % 98'i ik katmanla kaplı. Tarama bir lazer yüksek para cezası Si-FOSP de tarafından çözümlenemeyen daha dar FWHM nedeniyle kipi için kullanılması gereken süre bu nedenle, düşük-incelik Si-FOSP yüksek hızlı bir Spektrometre veri toplama ve işleme, için yeterli olacaktır Spektrometre. Protokol iki işlemine demodülasyon yöntemleri açıklanmaktadır.
Burada seçilen silikon malzeme sıcaklığı çözünürlük açısından algılama için daha iyidir. Bir karşılaştırma, TOC ve TEC silikon 1.5x10-4 RIU / ° C ve 2.55x10-6 m/(m∙°C), sırasıyla, yaklaşık 84.6 pm / ° C, yaklaşık 6.5 kat tüm silis tabanlı FOSs2daha yüksek bir sıcaklık hassasiyeti için lider vardır. Bu çok daha yüksek duyarlılık ek olarak, biz 6 x 10-4 ° sıcaklık çözünürlüğü için önde gelen C 2, izleme yöntemini gürültü düzeyini azaltmak ve böylece bir düşük incelik sensör çözünürlüğünü artırmak için Ortalama bir dalga boyu göstermiştir Karşılaştırma 0.2 ° C FOS silis tabanlı tüm3için çözünürlük için. Çözünürlük 1.2x10-4 ° C yüksek para cezası sürüm4için olmak daha fazla artırıldı. Silikon malzeme de hız açısından algılama için üstün olduğunu. Bir karşılaştırma, termal Yayınım silikon 8.8x10-5 m2/s, olan birden fazla 60 kez silis2daha yüksek olmasıdır. Küçük bir ayak izi ile (Örneğin, 80 µm çapı, 200 µm kalınlık) birlikte, 0,51 ms tepki süresi FOS oldu bir silikon için2, bir mikro-silis-fiber bağlantı uç sıcaklık sensörü516 ms ile karşılaştırıldığında göstermiştir. Her ne kadar bazı araştırma algılama malzeme diğer gruplar6,7,8,9tarafından hiçbiri-in onları bildirildiği gibi çok ince silikon film kullanarak sıcaklık ölçümü için ilgili iş Algılayıcılarımız çözünürlük veya hız açısından performansını sahiptir. Örneğin, sadece 0,12 ° C çözünürlüğe ve 1 uzun tepki süresi ile sensör s bildirdi. Bir daha iyi 0,064 ° C sıcaklık çözümü yapılmış 7 10rapor; Ancak, hızı oldukça hantal sensör kafa tarafından sınırlıdır. Ne yeni üretim Yöntem ve veri işleme algoritması'sı-FOSP benzersiz yalan yapar.
Yanı sıra sıcaklık algılama için yukarıdaki avantajları, Si-FOSP Ayrıca sıcaklık ile ilgili sensörler gaz basıncı11, hava gibi farklı parametreleri ölçme hedefleyen çeşitli içine geliştirilebilir veya su akışı12,13 ,14 ve radyasyon4,15. Bu makale üç temsilcisi uygulamalar ve bunların sonuçları ile birlikte imalat ve sinyal işlemine demodülasyon protokolleri sensör ayrıntılı bir açıklamasını sunar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. düşük incelik sensörler imalatı
- Silikon ayağı imal. 200 µm kalınlığında çift yan cilalı (DSP) Silikon gofret bir parça tek başına silikon sütunlar (Şekil 2a) desen, standart mikro-elektro-mekanik sistem (MEMS) imalat kullanarak kolaylaştırır.
Not: Desenli gofret fotorezist ince bir tabaka kullanarak başka bir büyük silikon gofret üzerinde bağlanmış. Bağ fotorezist dik, ama--dan belgili tanımlık substrate sonraki adımlar için ayırmak için yeterince zayıf da ayağı tutabilecek kadar güçlü güçtür. - Öncü fiber hazırlayın. Bir tek modlu fiber optik distal ucunun plastik kaplama kapalı şerit. Alkol ile daldırma objektif mendil kullanarak soyulmuş bölümü temiz. Bir fiber optik satır kullanarak temizlenmiş fiber ayırmak.
- Son-yüz i ciddi kurşun fiber (Şekil 2b) UV tedavi edilebilir tutkal ince bir tabaka uygulayın. UV tedavi edilebilir tutkal küçük bir damla bir parça cam slayt üzerine koy. Tutkal katmanı spin-kaplama ya da el ile cam slayt sallanan tarafından ince. Tutkal katmanı başlangıç fiber cam slayt karşı son yüz basarak fiber sonuna kadar transfer.
- Bir silikon ayağı fiber ucunu takın. Öncü fiber bir silikon ile hizalamak, bu arada belgili tanımlık silikon bir Spektrometre kullanılarak FPI gerçek zamanlı yansıma spektrum izlemek. Tatmin edici bir spektrum (Şekil 2 c) gözlenen tutkal tedavi için bir UV lamba kullanın.
Not: genel olarak, Kavurma işlemi yaklaşık 10-15 dakika sürer. - Belgili tanımlık substrate sensöründen bağlantısını kesin. Sonra UV tutkal tamamen tedavi, öncü fiber substrat (Şekil 2B) müstakil silikon ayağı birlikte yukarı kaldırın.
Not: Bazı kalıntı fotorezist silikon ayağı (Şekil 2e) üst yüzeyde kaldı. Çoğu durumda, kalan fotorezist sensör işlevinin etkilemez. Gerekirse, fotorezist katman alkol tarafından kaldırılabilir. - Fabrikasyon sensör kafa inceleyin. Mikroskop fabrikasyon sensör kafa geometrisini incelemek için kullanın. Tipik bir görüntü başarıyla fabrikasyon sensör Şekil 2fiçinde görülür.
2. yüksek para cezası sensörler imalatı
- Silikon gofret yüksek yansıtırlık aynalar ile her iki kat. 75 µm kalınlığında çift yan cilalı silikon gofret bir yanında istimal a sputtering kaplama makine 150 nm kalın bir altın tabaka ile kat ve bir yüksek-yansıtma (HR) dielektrik ayna diğer tarafla ceket.
Not: Dielektrik İK kaplama bir şirket dışında tarafından yapıldı; Bu kaplama yansıtırlık az % 98 olduğu için şirket tarafından test edildi. Ancak, detaylı malzeme ve kaplama yapısını özel koruması nedeniyle Şirket tarafından bilinmeyen, Malzemeler tablo daha fazla bilgi için bkz. - Collimated kurşun fiber hazırlayın. Kademeli-Dizin çok modlu fiber (GI-MMF) tekli mod fiber ile kısa bir bölüm splice ve sonra bir optik mikroskop altında GI-MMF çeyrek bir lif kolimatör (3a rakam oluşturmak üzere sol MMF içinde ışık yörünge süresi ile ayırmak ).
Not: GI-MMF bir spektrum daha iyi bir görünürlük ile4,16elde edilebilir kalıcı alan çapında genişletmek için kullanılır. Bu çalışmada yaklaşık 250 µm olduğunu, GI-MMF tam dörtte birini ray yörünge süresi uzunluğudur. - Parçalanmış bir çift tarafı kaplı silikon öncü lif eklemek. Bir yüksek-incelik sensör silikon ayağı düşük incelik sensörler (adım 1.3-1.5) imalatı için lif sonuna ekleme benzer adımları izleyerek topla.
Not: Dielektrik kaplama ile yan gelen ışıkta (Şekil 3b, 3 c) izin kolimatör iliştirilecektir. Bu durumda, önceki silikon ayağı değil desenli bir silikon parçası ile değiştirilir. Gelecekte, böylece sensörler daha düzgün ve daha kolay imalat için desenli silikon gofret yüksek yansıtırlık aynalarla kaplı. 1.3-1.5 imalat adımlarla tutkal kolimatör son yüz transfer önce bir yansıma spectra çentik uygun görünürlük ile ilk alınmalıdır farktır. - Düzensiz şekilli silikon parçası bir lif Cila Makinası kullanarak dairesel bir şekle Lehçe.
- Fabrikasyon sensör kafa inceleyin. Mikroskop sensör kafa arzu edilen bir dairesel şekil elde emin olmak için incelemek için kullanın (şekil 3d).
3. sinyal işlemine demodülasyon düşük incelik Si-FOSP için
Not: düşük-incelik Si-FOSP demodulating için kullanılan sistem Şekil 4aiçinde gösterilir. Aşağıdaki ayrıntılı adımlar sistemi kurma ve veri işleme gerçekleştirmek yardımcı.
- 1 bir optik sirkülatörün / bağlantı noktası için bir C-band geniş bant kaynağına bağlanmak.
- Düşük-incelik sensör girişi fiber optik sirkülatörün bağlantı noktası 2 splice.
- 3 in optik sirkülatörün veri depolama için bir bilgisayarla iletişim yüksek hızlı bir spektrometre için bağlayınız.
- Spektrum sensör sistemi düzgün çalıştığından emin olmak için denetleyin. Şekil 4b' gösterilen tipik spektrum bakın.
4. sinyal işlemine demodülasyon yüksek para cezası Si-FOSP için
Not: yüksek-incelik Si-FOSP demodulating için kullanılan sistem Şekil 5a' gösterilir. Aşağıdaki ayrıntılı adımlar sistemi kurma ve veri sonrası işleme yapmak yardımcı.
- Geçerli bir denetleyiciyi kullanarak ayarlanabilir DFB lazer süpürme.
Not: farklı lazerler ve denetleyicileri için değişir, tepe tepe süpürme gerilim spektrum çentik karşılamak için yeterince büyük olmalıdır. - 1 bir optik sirkülatörün / bağlantı noktası için ayarlanabilir lazer çıkış bağlayın.
- Bağlantı noktası 2 yüksek para cezası sensör için optik sirkülatörün splice.
- 3 in optik sirkülatörün bir photodetector bağlayınız.
- Bir bilgisayar tarafından depolanan photodetector çıkışını okumak için bir veri alma aygıtı kullanın.
- Spektrum sensör sistemi düzgün çalıştığından emin olmak için denetleyin. Tipik bir çerçeve Şekil 5biçinde gösterilen yelpazenin bakın. Polinom eğrisi uygun bir kullanarak Vadisi konumunu bulun.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Si-FOSP okyanus thermoclines profil oluşturma için bir sualtı termometre olarak
Son Oşinografik araştırma sualtı görüntüleme bulanıklık sadece kirlenmiş sularda bulanıklık aynı zamanda gelen sıcaklık microstructures temiz okyanus17,18kaynaklandığını göstermiştir. İkinci etkisini daha iyi anlamak ve türbülans miktarının bir yol geliştirmek olarak su, de optik iletişimi geliştirmek için birçok oşinograflar bulanık görüntüleri19, düzeltmek için etkili bir yol bulmayı amaçlayan, odağı olmuştur okyanus20,21. Si-FOSP bir sıcaklık sensörü kullanılan geçerli muadili su türbülans22hızlı ısı farklılıkları ölçmek için daha iyi performans göstermiştir. Bu uygulama ile birlikte Şekil 4a sinyal işlemine demodülasyon sistemde Şekil 1a ' gösterilen düşük incelik sensör kullanılır. Si-FOSP sıcaklık sensörü üstün performansını göz önüne alındığında, bu açık sular thermoclines karakterize amaçlanmaktadır bir patentli sualtı aracı23 (Şekil 6a), geliştirilmiştir. Bu alt bölümde Flint Creek rezervuar Mississippi, ABD bir alan (Şekil 6b) test sonuçlarını sunar.
Şekil 6 c gösterir ölçülen thermocline Flint Creek baraj gölünün 13 Eylülinci, 2016. Mavi eğrisi Si-FOSP sıcaklık sensörü tarafından elde edildi, kırmızı ve siyah eğrileri iki tarafından elde ederken ticari sarar (iletkenlik, sıcaklık ve deniz suyu derinliğini ölçmek için Oşinografi aletleri) referans. Belli ki, Si-FOSP sıcaklık sensörü başvuru sensörleri ile ama ilave bilgileri bir grup verebilir sıcaklık yapıları (bkz. Şekil 6 cilave) daha fazla bilgi ile kabul eder. Si-FOSP sıcaklık sensörü tarafından toplanan daha bilgilendirici verilerin Oşinografik araştırma çok dallı etkisi beklenir.
Si-FOSP olarak büyük- dinamik -Aralık akış sensoru
Gaz veya sıvı akışı önemli Oşinografi, hava araştırma, işlem denetimleri, ulaşım ve çevre izleme önemli bilgileri çeşitli akademik ve endüstriyel sektörlere ölçümdür. Bir akış sensoru gösterildiği Si-FOSP çalışma temsilcisi sonuçları. Bir düşük incelik Si-FOSP bu uygulama için kullanılır. Bu akış sensörü aktif olarak başka bir lazer tarafından ısıtmalı olabilir için algılama baş ihtiyacı beri Ancak, kullanılan sistem biraz Şekil 4agösterilen farklıdır. Özellikle, ekstra bir lazer Isıtma algılama baş etkinleştirmek için kullanılır ve ayrıntılı bir açıklama için akış ölçüm sisteminin bildirilen12,13,14olmuştur.
Şekil 7a bir su deposu, yan yana karşılaştırma için bir ticari akış sensörü ile yer alan Si-FOSP akış sensoru gösterir. Belli ki, fiber sensörün okuma genellikle bu ticari akış sensörü ile şekil 7biçinde gösterildiği gibi kabul eder; Ancak, ne zaman su akar sakin ol, Si-FOSP akış sensoru çok daha net yanıt şekil 7byakın çekim görünümünde tarafından gösterildiği gibi sergiler.
Si-FOSP olarak bir EMI- bağışıklık Bolometre için yüksek sıcaklık plazma fiziği
Bilim adamları tokamaks fizikte yüksek sıcaklık plazma araştıran foton emisyon bileşenleri24karşı karşıya plazma gerilmelere ısı akısı azaltmak için manyetik doğumdan füzyon reaktörleri egzoz gücünü dönüştürmek çalışıyoruz. Şekil 8a tokamak25iç gösterir. Foton emisyon genellikle bir Bolometre tarafından ölçülür. Karşı koymak ve kızılötesi video bolometers 0.2 W/m2 ve 0,23 W/m2, gürültü eşdeğer güç yoğunluğu (NEPD) sırasıyla, bir laboratuvar ortamı26,27, elde ettik onlar sert için savunmasız vardır çevre yüksek sıcaklık plazma ile ilişkili. Bu çalışmada bildirilen Si-FOSP mevcut bolometers için umut verici bir alternatif olarak öne çıkmaktadır. Mümkün olduğu kadar yüksek bir çözünürlük elde etmek için Şekil 1b adımında gösterilen en yüksek para cezası sürümü kullanılır. Ayrıca, biraz farklı--dan gösterilen Şekil 5a', iki kanal sistemi dengelemek amacıyla genellikle kullanılan tek kanallı işlemine demodülasyon sistem kullanarak drift lazer için kukla başka bir başvuru4,15.
Resim 8b başka bir direnç Bolometre ile karşılaştırıldığında bir laboratuvar ortamında bir Si-FOSP Bolometre ölçülen sonuçlar verir. Bizim sı-FOSP Bolometre bir NEPD o elektronik karşıtları26,27yakın 0.27 W/m2 vardır. Si-FOSP Bolometre genellikle yüksek sıcaklık plazma fiziği içinde bulunan EMI doğasında dayanıklıdır belirterek, bu pratik uygulamalar doğru büyük sözler tokamaks içinde tutmak için bekleniyor.
Şekil 1: düşük-ince (a) gösterilen şemaları ve yüksek-incelik (b) Si-FOSP. (c) benzetimli yansıma spectra 75 µm kalınlığında silikon boşluğu ile Si-FOSPs iki sürümlerinin. Spektrum dakika kaydırma (gelen kesik çizgili eğriler için katı) çok daha yüksek para cezası algılayıcı tarafından ayrımcılık. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 2: düşük-incelik Si-FOSPs imalatı. (a)-(e) şematik üretim adımları ve (f) görüntü insan saçı ile karşılaştırıldığında bir fabrikasyon sensör kafa. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 3: yüksek-incelik Si-FOSPs imalatı. (a)-(c) şematik üretim adımları ve (d) görüntü bir fabrikasyon sensör. İç metin (d) sensör kafa üst görünümünü gösterir. GI-MMF, kademeli-indeksi çok modlu fiber; HR, yüksek-yansıtma. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 4: (a) şematik sistem işlemine demodülasyon sistem ve (b) bir tipik kare bir düşük incelik Si-FOSP için yansıma spektrumun. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 5: (a) şematik sistem işlemine demodülasyon sistem ve bir yüksek-incelik Si-FOSP için taranan spektrumunun (b) bir tipik kare. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 6: temsilcisi sonuç sualtı bir termometre. (a) görüntü ve (b) alan dağıtım örneklenmekte sensör enstrümanın. (c) ölçülür thermocline Flint Creek rezervuar, Mississippi, ABD, üzerinde 13 Eylülinci, 2016. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 7: temsilcisi sonuç bir akış sensoru. (a) görüntü düzenleme ve (b) Si-FOSP tarafından ölçülen akışı alanı ve bu ticari akış sensoru arasında karşılaştırma sınama akışı. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 8: temsilcisi sonuç olarak yüksek sıcaklık plazma araştırma için bir Bolometre. (a) görüntü tokamak25 ve (b) iç yüksek sıcaklık plazmasının alanının ölçülebilir sonuçları bir laboratuvar ortamında. Bu rakam kabul ve Wikimedia Commons değiştirilebilir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Silikon FPI boyutunu (uzunluk ve çapı) seçim gereksinimleri üstünde belgili tanımlık kararlılık ve hız arasında tradeoff üzerine yapılır. Genel olarak, daha küçük bir boyuta daha yüksek bir hız sağlar ama aynı zamanda çözüm2azaltır. Kısa bir süre daha yüksek bir hız elde etmek için avantajlıdır ama yansıma çentikler genişletilmiş FWHM nedeniyle yüksek bir çözünürlük elde etmek için üstün değil. FWHM azaltmak için İK kaplama kullanarak çözünürlüğünü artırmak yardımcı olabilir, ancak lazer tarama kullanarak sinyal işlemine demodülasyon nedeniyle dinamik alan sınırı olacaktır. Daha küçük çaplı hızını artırır, ancak böylece iyi bir spektrum elde çapı öncü fiber kalıcı alan çapı daha büyük olması gerekir. Ancak, Ayrıca lif daha büyük bir silikon çapı bolometry lif4azaltılmış ve tel ısı kaybı nedeniyle için duyarlılık geliştirmek yardımcı olur bulunur. Bu nedenle, sensör boyutu seçimi belirli uygulamaları bir çok bağlıdır.
Biz sadece Si-FOSP için çok temel yapıları, imalat protokolleri ve sinyal işlemine demodülasyon sistemleri göstermek rağmen diğer uygulamalara uygun veya performansını daha da artırmak çeşitli teknikler vardır. Örneğin, sensör takmak için UV tedavi edilebilir yapıştırıcı kullanmak yerine, bir füzyon tekniği Uçbirleştirme 1000 ° C28yukarıda çalışma sıcaklığı yükseltmek için uygulanabilir. Böyle bir yüksek kullanım sıcaklığı ile yenilikçi fotonik aygıtlar türleri, mikro-ısıtıcılar, kızılötesi yayıcılar ve kabarcık jeneratörler gibi yapılabilir. Öz-sıcaklık kompanse gaz basınç algılama Isıtma lazer açmak ve kapatmak11yaşına geldiğinde dalga boyu fark kullanarak başka bir örnektir. Ayrıca, roman en yüksek tanıma teknikleri29,30geliştirilmesi yoluyla, sıcaklık ölçüm genişletilmiş dinamik alanı üzerinde gerçekleştirilebilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Bir ABD patent (No. 9995628 B1) ilgili teknolojiler korumak için yayımlanmıştır.
Acknowledgments
Bu eser ABD deniz Araştırma Laboratuvarı ('ları tarafından desteklenmiştir N0017315P0376, N0017315P3755); ABD Ofisi deniz araştırma (No'ları N000141410139, N000141410456); ABD Enerji Departmanı (No'ları 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 |
References
- Lee, B. Review of the present status of optical fiber sensors. Optical Fiber Technology. 9, 57-79 (2003).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ding, M., Wang, P., Brambilla, G. Fast-response high-temperature microfiber coupler tip thermometer. IEEE Photonics Technology Letters. 24, 1209-1211 (2012).
- Berthold, J. W., Reed, S. E., Sarkis, R. G. Reflective fiber optic temperature sensor using silicon thin film. Optical Engineering. 30, 524-528 (1991).
- Kajanto, I., Friberg, A. T. A silicon-based fibre-optic temperature sensor. Journal of Physics E: Scientific Instruments. 21, 652-656 (1988).
- Schultheis, L., Amstutz, H., Kaufmann, M. Fiber-optic temperature sensing with ultrathin silicon etalons. Optics Letters. 13, 782-784 (1988).
- Zhang, S., et al. Temperature characteristics of silicon core optical fiber Fabry-Perot interferometer. Optics Letters. 40, 1362-1365 (2015).
- 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).
- Liu, G., Han, M. Fiber-optic gas pressure sensing with a laser-heated silicon-based Fabry-Perot interferometer. Optics Letters. 40, 2461-2464 (2015).
- Liu, G., Hou, W., Qiao, W., Han, M. Fast-response fiber-optic anemometer with temperature self-compensation. Optics Express. 23, 13562-13570 (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- Zhang, Y., et al. Fringe visibility enhanced extrinsic Fabry-Perot interferometer using a graded index fiber collimator. IEEE Photonics Journal. 2, 469-481 (2010).
- Hou, W. Ocean sensing and monitoring. , SPIE Press. (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Matt, S., et al. A controlled laboratory environment to study EO signal degradation due to underwater turbulence. Proceedings of SPIE. 9459, 94590H (2015).
- Han, M., Liu, G., Hou, W. Fiber-optic temperature and flow sensor system and methods. U.S. Patent. , 9995628 B1 (2018).
- 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).
- Alcator C-Mod. , Available from: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Alcator_C-Mod_Tokamak_Interior.jpg (2018).
- 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).
- Peterson, B. J., et al. Development of imaging bolometers for magnetic fusion reactors. Review of Scientific Instruments. 79, 10E301 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
