Un Mach

Jul 22, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 12130 (2022) Citare questo articolo

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È stato dimostrato sperimentalmente un nuovo tipo di sensore a fibra interferometrica basato su uno schema ibrido Mach-Zehnder Fabry-Perot. L'interferometro combina i vantaggi sia di una configurazione a doppio percorso che di un risonatore ottico, portando a risoluzioni di deformazione e fase record, limitate solo dal rumore termico intrinseco nelle fibre ottiche in un ampio intervallo di frequenze. Utilizzando solo componenti standard, il sensore è in grado di raggiungere risoluzioni di deformazione limitate dal rumore di 40 f\(\varepsilon \)/\(\sqrt{(}Hz)\) a 10 Hz e 1 f\(\ varepsilon \)/\(\sqrt{(}Hz)\) a 100 kHz. Con un adeguato ingrandimento, si ritiene che le risoluzioni atto-deformazione siano raggiungibili nella gamma di frequenze ultrasoniche con tali interferometri.

Gli interferometri a fibra ottica hanno suscitato un enorme interesse negli ultimi anni grazie alle loro potenziali applicazioni nel rilevamento ottico1, nelle comunicazioni in fibra ottica2, nell'informatica ottica3 e nell'imaging biomedico4,5. I sensori passivi in ​​fibra interferometrica (IFS), in particolare, sono in grado di raggiungere risoluzioni di segnale estremamente elevate, rendendoli particolarmente adatti per lo sviluppo di sensori ottici ultrasensibili6,7,8,9. Fondamentalmente, tutti gli IFS si basano sullo stesso principio operativo, ovvero il rilevamento delle fluttuazioni ottiche di fase/frequenza indotte da misurandi esterni (ad esempio deformazione, temperatura, pressione, ecc.) attraverso l'interferenza ottica1. Per ottimizzare la capacità di un IFS di risolvere piccoli segnali, è necessario i) massimizzare la risposta del sensore alle perturbazioni esterne (cioè la sensibilità) e ii) minimizzare il rumore indesiderato.

Il primo obiettivo può essere raggiunto utilizzando schemi interferometrici caratterizzati da una netta discriminazione fase/frequenza. Nel corso degli anni, sono state dimostrate diverse tecniche IFS ultrasensibili, tra cui i reticoli di Bragg in fibra a sfasamento \(\pi \) (\(\pi \)-FBG)10,11,12,13, FBG14 a luce lenta, 15,16,17 e interferometri Fabry-Perot a fibra lunga18,19,20,21,22,23. Nel frattempo, sono stati dedicati sforzi considerevoli anche alla riduzione del rumore. Poiché il rumore del laser di interrogazione tipicamente domina in uno schema IFS passivo, la maggior parte della ricerca recente si è concentrata sullo sviluppo di nuovi laser a basso rumore24 o sul miglioramento delle tecniche di stabilizzazione del laser25.

In definitiva, tuttavia, la risoluzione dell’IFS è limitata dal rumore termico intrinseco delle fibre ottiche. Esistono due tipi di rumori termici nelle fibre. Il rumore termodinamico (noto anche come rumore termoconduttivo), che presenta un rapido attenuamento alle alte frequenze, tipicamente domina a frequenze superiori a 100 Hz26,27. Il rumore termomeccanico, che ha una caratteristica spettrale 1/f, è il meccanismo predominante alle basse frequenze (ad esempio, < 10 Hz)28,29.

Ottenere un rilevamento in fibra ottica con limitazione del rumore termico è allo stesso tempo interessante e impegnativo: interessante perché rappresenta il massimo potere risolutivo che un sensore può ottenere; impegnativo perché per raggiungere il minuscolo rumore termico è necessario che un sistema di rilevamento abbia sia una sensibilità estremamente elevata che un rumore di sistema molto basso30,31,32. Negli ultimi tre decenni è stato compiuto uno sforzo continuo per sviluppare sensori in fibra ottica in grado di funzionare a livello di rumore termico1,33,34,35,36,37,38. Generalmente, sono stati adottati due approcci distinti per raggiungere questo obiettivo: i) discriminazione di frequenza e ii) discriminazione di fase. In uno schema di discriminazione della frequenza, un risonatore ottico come un reticolo di Bragg in fibra (FBG)37 o un interferometro di Fabry-Perot in fibra (FFPI)38 viene impiegato per creare una caratteristica spettrale nitida (cioè un picco di risonanza) che può essere utilizzata come discriminatore di frequenza ottica altamente sensibile. Il vantaggio di questo approccio è che il sensore stesso può essere molto compatto, tipicamente dell'ordine di un metro o meno. Lo svantaggio, tuttavia, risiede nella loro incapacità di distinguere il segnale di rilevamento dal rumore del laser, il che spesso rende il laser interrogante il principale responsabile della risoluzione complessiva del sensore39. Di conseguenza, per ottenere un funzionamento limitato al rumore termico con uno schema di discriminazione della frequenza, è necessario utilizzare un laser a rumore ultrabasso37 o un sistema di stabilizzazione della frequenza laser altamente sofisticato30,38. Nel frattempo, uno schema di discriminazione di fase sfrutta la sensibilità di fase di un tradizionale interferometro a doppio percorso, come il Michelson36, il Mach-Zehnder35 o la configurazione Sagnac33. Ha requisiti molto inferiori per il laser di interrogazione perché il rumore di fase/frequenza del laser è un rumore di modo comune in questi interferometri. D'altra parte, i sensori di discriminazione di fase sono spesso piuttosto ingombranti, con lunghezze dei bracci che superano ampiamente le decine o addirittura le centinaia di metri per consentire loro di raggiungere una sensibilità di fase sufficiente35,36. Non solo sono difficili da confezionare, ma sono anche altamente sensibili alle fluttuazioni indotte dall’ambiente.