Ploché optické vlákno je 1000× citlivější než standardní. Vědci z KTH a Southamptonu proměnili sklo v ultrasenzor

Optická vlákna jsou dlouho ceněna pro svou odolnost vůči elektromagnetickému rušení, nízkou hmotnost a schopnost pracovat v náročných podmínkách. V jedné zásadní vlastnosti však zaostávala za elektronickými senzory: v citlivosti. Nový design výzkumníků z KTH Royal Institute of Technology ve Stockholmu a University of Southampton tuto hranici překonává.

Studie publikovaná v časopise Nature Communications (doi: 10.1038/s41467-026-72416-6) představuje ploché vlákno s vysokým poměrem stran (HARFF) – křemenné optické vlákno ve tvaru stuhy, které funguje jako ultrasenzitivní multiparametrový senzor .

Tlaková citlivost: 1000× vyšší než u standardních vláken

Nejvýraznějším výsledkem studie je tlaková citlivost vlákna HARFF. V laboratorních testech se ukázalo, že je 1000× citlivější než standardní kruhová optická vlákna .

Proč tak dramatické zlepšení? Plochá geometrie vytváří řádově vyšší dvojlom vyvolaný deformací při hydrostatickém zatížení ve srovnání s běžnými kulatými vlákny – což potvrdilo i modelování metodou konečných prvků . Obdélníkový průřez navíc přirozeně potlačuje vybočování a kroucení, které trápí kruhová vlákna při mechanickém namáhání .

Zcela nový způsob výroby plochých vláken

Místo zploštění kulatého vlákna po tažení – běžného, ale nepřesného postupu – tým vynalezl účelovou výrobní metodu. Křemenné desky naskládali do plochého předlisku a pomocí laserového svařování skla utěsnili boky, čímž vytvořili vnitřní mikrostruktury, například vzduchové kanálky .

Tento předlisek pak byl tažen na běžné vytahovací věži s řízeným přetlakem mikrostruktur, aby byl zachován tvar a tloušťka stěn . Nakonec byly femtosekundovým laserem (λ=515 nm, impulsy 200 fs) přímo do plochého vlákna vepsány Braggovy mřížky a obdélníkové vlnovody .

Tento přístup založený na předlisku zachovává vnitřní geometrii s mnohem větší věrností než dodatečné zploštění, což umožňuje reprodukovatelnou výrobu profilu s vysokým poměrem stran.

Nad rámec tlaku: Měření teploty pomocí cínové slitiny a další

Platforma HARFF je přirozeně kompatibilní s vláknovými Braggovými mřížkami (FBG) pro měření deformace, teploty a tlaku . Tým však předvedl obzvláště chytré vylepšení teplotní citlivosti: část vnitřní mikrostruktury vyplnili kovem na bázi cínu (Sn-slitina). Tento multimateriálový design výrazně zvýšil teplotní citlivost vlákna .

Dohromady dávají schopnosti měřit tlak i teplotu z vlákna HARFF skutečný multiparametrový senzor v jediné kompaktní skleněné stuze.

Kde najde toto vlákno uplatnění?

Protože optická vlákna jsou odolná vůči elektromagnetickému rušení, lehká a fungují i v náročném prostředí, nabízí platforma HARFF univerzální upgrade oproti běžným kruhovým optickým vláknům i elektronickým senzorům . Výzkumníci uvádějí aplikační oblasti napříč šesti doménami :

• Letectví a kosmonautika: Zabudování do kompozitních materiálů pro snímání vnitřního napětí a tlaku v letadlech a dronech.
• Energetika: Monitorování strukturálního zdraví a okolních podmínek při výrobě a distribuci energie.
• Infrastruktura: Průběžné monitorování deformace a tlaku v mostech, budovách a stavebních konstrukcích.
• Biomedicínská zařízení: Kompaktní senzory odolné vůči EMI pro lékařské přístroje.
• Monitorování baterií: Detekce změn tlaku a teploty uvnitř bateriových článků jako včasný signál anomálií.
• Inteligentní drony: Lehké multiplexní snímání pro strukturální zdraví a dynamiku letu.

Shrnutí

HARFF představuje zásadní přehodnocení toho, čím může optické vlákno být. Opuštěním kruhového průřezu, který definoval vláknovou optiku po desetiletí, výzkumníci uvolnili tisícinásobné zlepšení tlakové citlivosti a přidali multiparametrové schopnosti – a to vše za použití běžných vytahovacích věží a dobře známých křemenných materiálů. Výsledkem je senzorová platforma připravená na reálné nasazení všude od mostů po baterie.