Плоское оптоволокно-лента: как стекло стало в 1000 раз чувствительнее обычных датчиков давления

Оптические волокна давно ценятся за невосприимчивость к электромагнитным помехам, малый вес и способность работать в агрессивных средах. Однако по одному ключевому параметру — чувствительности — они долгое время уступали электронным датчикам. Новая разработка исследователей из Королевского технологического института KTH в Стокгольме и Университета Саутгемптона (Великобритания) разрушает это ограничение.

В статье, опубликованной в Nature Communications (doi: 10.1038/s41467-026-72416-6), команда представляет высокоаспектное плоское волокно (HARFF) — стеклянную оптическую ленту, которая работает как сверхчувствительный многопараметрический датчик .

Чувствительность к давлению: в 1000 раз выше стандартных волокон

Самый впечатляющий результат исследования — чувствительность HARFF к давлению. В лабораторных испытаниях волокно оказалось в 1000 раз более чувствительным, чем стандартные круглые оптические волокна .

Почему такое резкое улучшение? Плоская геометрия создаёт на порядки более высокое деформационное двулучепреломление при гидростатической нагрузке по сравнению с обычными круглыми волокнами — это подтверждено конечно-элементным моделированием . Прямоугольное сечение также принципиально подавляет изгиб и скручивание, которые преследуют круглые волокна под механическим напряжением .

Совершенно новый способ изготовления плоских волокон

Вместо того чтобы сплющивать круглое волокно после вытяжки (распространённый, но неточный подход), команда изобрела целенаправленный метод изготовления. Они сложили кварцевые пластины в плоскую заготовку и использовали лазерную сварку стекла для герметизации боковых сторон, создав внутренние микроструктуры, такие как воздушные каналы .

Затем эта заготовка была вытянута на обычной башне вытяжки оптоволокна с контролируемым давлением в микроструктурах для сохранения формы и толщины стенок . Наконец, с помощью фемтосекундного лазерного письма (λ=515 нм, импульсы 200 фс) прямо внутри плоского волокна были записаны волоконные брэгговские решётки и прямоугольные волноводы .

Такой подход на основе заготовки сохраняет внутреннюю геометрию с гораздо более высокой точностью, чем пост-вытяжное сплющивание, что позволяет воспроизводимо изготавливать профиль с высоким соотношением сторон.

Больше, чем давление: измерение температуры с помощью оловянного сплава и не только

Платформа HARFF изначально совместима с волоконными брэгговскими решётками (FBG) для измерения деформации, температуры и давления . Но команда продемонстрировала особенно остроумное усовершенствование температурной чувствительности: они заполнили часть внутренней микроструктуры оловянным сплавом (Sn-alloy). Такая многоматериальная конструкция значительно повысила температурную чувствительность волокна .

Вместе возможности измерения давления и температуры делают HARFF настоящим многопараметрическим датчиком в компактной стеклянной ленте.

Где будет применяться это волокно?

Поскольку оптические волокна невосприимчивы к электромагнитным помехам, легки и могут работать в агрессивных средах, платформа HARFF предлагает универсальное обновление как для обычных круглых оптических волокон, так и для электронных датчиков . Исследователи называют области применения в шести направлениях :

• Авиакосмическая отрасль: встраивание в композитные материалы для контроля внутренней деформации и давления в самолётах и дронах.
• Энергетика: мониторинг состояния конструкции и условий окружающей среды при генерации и распределении энергии.
• Инфраструктура: непрерывный мониторинг деформации и давления в мостах, зданиях и гражданских сооружениях.
• Биомедицинские устройства: компактные, устойчивые к электромагнитным помехам датчики для медицинского оборудования.
• Мониторинг аккумуляторов: обнаружение изменений давления и температуры внутри ячеек батарей как ранних признаков аномального поведения.
• Интеллектуальные дроны: лёгкое мультиплексированное зондирование для контроля состояния конструкции и динамики полёта.

Главный вывод

HARFF представляет собой фундаментальное переосмысление того, чем может быть оптическое волокно. Отказавшись от круглого сечения, определявшего волоконную оптику десятилетиями, исследователи добились 1000-кратного улучшения чувствительности к давлению и добавили многопараметрические возможности — и всё это с использованием обычных вытяжных башен и хорошо известных кварцевых материалов. Результат — готовая к реальному развёртыванию сенсорная платформа для всего: от мостов до аккумуляторов.