Revolutionen inom optisk fiber: Platt glasribba blir 1 000 gånger känsligare

Optiska fibrer har länge varit uppskattade för sin immunitet mot elektromagnetiska störningar, sin låga vikt och sin förmåga att fungera i tuffa miljöer. Men på en punkt har de halkat efter elektroniska sensorer: rå känslighet. Nu har en ny design från forskare vid KTH i Stockholm och University of Southampton i Storbritannien sprängt den begränsningen.

I en artikel publicerad i Nature Communications (doi: 10.1038/s41467-026-72416-6) presenterar teamet en hög aspektkvot flat fiber (HARFF) – en bandliknande kiseldioxidfiber som fungerar som en ultrakänslig sensor för flera parametrar .

Tryckkänslighet: 1 000 gånger högre än standardfibrer

Det mest slående resultatet från studien är HARFF:ens tryckkänslighet. I laboratorieförsök visade fibern en 1 000 gånger högre känslighet jämfört med standarddesigner av runda optiska fibrer .

Varför en så dramatisk förbättring? Den platta geometrin ger storleksordningar högre töjningsinducerad dubbelbrytning under hydrostatisk belastning jämfört med konventionella runda fibrer – en slutsats som bekräftats av finita elementmodellering . Det rektangulära tvärsnittet minskar också i sig buckland och vridning som plågar runda fibrer under mekanisk påfrestning .

En helt ny metod för att tillverka platta fibrer

Istället för att platta till en rund fiber efter dragning – en vanlig men oprecis metod – uppfann teamet en specialbyggd tillverkningsmetod. De staplade kiseldioxidplattor till en platt preform och använde laserbaserad glassvetsning för att täta sidorna, vilket skapade inre mikrostrukturer som luftkanaler .

Den preformen drogs sedan i ett konventionellt fiberdragtorn med kontrollerad trycksättning av mikrostrukturerna för att bibehålla form och väggtjocklek . Slutligen användes femtosekundlaserskrivning (λ=515 nm, 200 fs-pulser) för att rista in fiber Bragg-gitter och rektangulära vågledare direkt i den platta fibern .

Denna preformbaserade metod bevarar den inre geometrin med mycket högre noggrannhet än platttryckning efter dragning, vilket möjliggör reproducerbar tillverkning av den höga aspektkvotprofilen.

Bortom tryck: Tennlegering för temperatursensing och mer

HARFF-plattformen är i sig kompatibel med fiber Bragg-gitter (FBG)-sensing för töjning, temperatur och tryck . Men teamet demonstrerade en särskilt smart förbättring för temperaturkänslighet: de fyllde en del av den inre mikrostrukturen med en tennbaserad (Sn-legering) metall. Denna multimaterialdesign ökade fiberns temperaturkänslighet avsevärt .

Tillsammans gör tryck- och temperaturmätningsförmågan HARFF till en verklig sensor för flera parametrar i en enda, kompakt glasribba.

Var kommer denna fiber att användas?

Eftersom optiska fibrer är okänsliga för elektromagnetiska störningar, lätta och kan användas i tuffa miljöer, erbjuder HARFF-plattformen en mångsidig uppgradering jämfört med både konventionella runda optiska fibrer och elektroniska sensorer . Forskarna nämner användningsområden inom sex domäner :

• Flygteknik: Inbäddad i kompositmaterial för att mäta inre töjning och tryck i flygplan och drönare.
• Energisystem: Övervakning av strukturell hälsa och miljöförhållanden inom kraftproduktion och distribution.
• Infrastruktur: Kontinuerlig töjnings- och tryckövervakning i broar, byggnader och anläggningskonstruktioner.
• Medicinska instrument: Kompakta, EMI-okänsliga sensorer för medicinsk utrustning.
• Batteriövervakning: Detektering av tryck- och temperaturförändringar inuti battericeller som tidiga tecken på avvikande beteende.
• Intelligenta drönare: Lätt, multiplexerad sensing för strukturell hälsa och flygdynamik.

Slutsats

HARFF representerar ett grundläggande nytänkande kring vad en optisk fiber kan vara. Genom att överge det cirkulära tvärsnitt som har definierat fiberoptik i decennier, har forskarna låst upp en 1 000-faldig förbättring av tryckkänsligheten och lagt till förmågan att mäta flera parametrar – allt medan de använder konventionella dragtorn och väletablerade kiseldioxidmaterial. Resultatet är en sensorplattform redo för verklig användning i allt från broar till batterier.