Flad glasfiber 1.000 gange mere følsom end standard fibre

Optiske fibre har længe været værdsat for deres immunitet over for elektromagnetisk støj, lave vægt og evne til at fungere i barske miljøer. Men på ét kritisk punkt har de haltet bagefter elektroniske sensorer: følsomhed. Et nyt design fra forskere på KTH Royal Institute of Technology i Stockholm og University of Southampton i Storbritannien knuser nu den begrænsning.

I en artikel offentliggjort i Nature Communications (doi: 10.1038/s41467-026-72416-6) præsenterer holdet en high aspect-ratio flat fiber (HARFF) – en båndlignende siliciumdioxid-fiber, der fungerer som en ultrasensitiv multiparameter-sensor .

Trykfølsomhed: 1.000 gange højere end standardfibre

Det mest slående resultat fra studiet er HARFF's trykfølsomhed. I laboratorieforsøg viste fiberen sig at være 1.000 gange mere følsom end standard runde optiske fibre .

Hvorfor en så dramatisk forbedring? Den flade geometri skaber en langt højere spændingsinduceret dobbeltbrydning under hydrostatisk belastning sammenlignet med konventionelle runde fibre – en opdagelse bekræftet gennem finite-element-modellering . Det rektangulære tværsnit reducerer desuden knæk og vridning, som er et problem for runde fibre under mekanisk belastning .

En helt ny måde at fremstille flade fibre på

I stedet for at flade en rund fiber ud efter trækning – en almindelig, men upræcis metode – opfandt teamet en specialbygget fremstillingsmetode. De stablede siliciumdioxid-plader i en flad præform og brugte laserbaseret glaslodning til at forsegle siderne, hvilket skabte interne mikrostrukturer som f.eks. luftkanaler .

Præformen blev derefter trukket på et konventionelt fibertræktårn med kontrolleret tryksætning af mikrostrukturerne for at bevare form og vægtykkelse . Til sidst blev femtosekund-laserskrivning (λ=515 nm, 200 fs pulser) brugt til at indskrive fiber Bragg-gitre og rektangulære bølgeledere direkte inde i den flade fiber .

Denne præformbaserede tilgang bevarer den indre geometri med langt større præcision end efterfølgende udfladning, hvilket muliggør reproducerbar fremstilling af profilen med højt aspektforhold.

Ud over tryk: Tin-legerings temperaturmåling og meget mere

HARFF-platformen er i sagens natur kompatibel med fiber Bragg-gitter (FBG) sensing til måling af stræk, temperatur og tryk . Men holdet demonstrerede en særlig smart forbedring til temperaturfølsomhed: de fyldte en del af den interne mikrostruktur med en tin-baseret (Sn-legering) metal. Dette multi-materialedesign øgede markant fiberens temperaturfølsomhed .

Sammen gør tryk- og temperaturaflæsningerne HARFF til en ægte multiparameter-sensor i et enkelt, kompakt glasbånd.

Hvor vil denne fiber blive brugt?

Fordi optiske fibre er immune over for elektromagnetisk støj, lette og kan fungere i barske miljøer, tilbyder HARFF-platformen en alsidig opgradering i forhold til både konventionelle runde optiske fibre og elektroniske sensorer . Forskerne nævner anvendelsesområder på tværs af seks domæner :

• Luftfart: Indlejret i kompositmaterialer til at måle intern strækning og tryk i fly og droner.
• Energisystemer: Overvågning af strukturel sundhed og miljøforhold i elproduktion og -distribution.
• Infrastruktur: Kontinuerlig stræk- og trykovervågning i broer, bygninger og civile konstruktioner.
• Biomedicinsk udstyr: Kompakte, EMI-immun sensorer til medicinsk instrumentering.
• Batteriovervågning: Registrering af tryk- og temperaturændringer inde i battericeller som tidlige tegn på unormal opførsel.
• Intelligente droner: Letvægts, multiplekset sensing til strukturel sundhed og flyvedynamik.

Den nederste linje

HARFF repræsenterer en fundamental nytænkning af, hvad en optisk fiber kan være. Ved at opgive det cirkulære tværsnit, der har defineret fiberoptik i årtier, låste forskerne op for en 1.000-dobling af trykfølsomheden og tilføjede multiparameter-kapacitet – alt sammen ved brug af konventionelle træktårne og velkendte siliciumdioxid-materialer. Resultatet er en sensorplatform, der er klar til reel anvendelse, lige fra broer til batterier.