Революція плоского волокна: як стрічка зі скла стала в 1000 разів чутливішою за стандартні оптичні волокна

Оптичні волокна давно цінуються за стійкість до електромагнітних перешкод, малу вагу та здатність працювати в агресивних середовищах. Але в одному критичному аспекті вони поступалися електронним сенсорам — власне чутливості. Нова конструкція, розроблена дослідниками з KTH Royal Institute of Technology у Стокгольмі та Університету Саутгемптона, ламає це обмеження.

Опублікована в Nature Communications (doi: 10.1038/s41467-026-72416-6), команда представляє високоаспектне плоске волокно (HARFF) — стрічкоподібне кремнеземне оптичне волокно, яке функціонує як надчутливий багатопараметричний сенсор .

Чутливість до тиску: у 1000 разів вища за стандартні волокна

Найбільш вражаючий результат дослідження — чутливість HARFF до тиску. У лабораторних демонстраціях волокно виявилося в 1000 разів чутливішим за стандартні круглі оптичні волокна .

Чому таке драматичне покращення? Плоска геометрія створює на порядки вище двопроменезаломлення, викликане деформацією під гідростатичним навантаженням, порівняно зі звичайними круглими волокнами — цей висновок підтверджено моделюванням методом скінченних елементів . Прямокутний переріз також природним чином зменшує вигинання та скручування, які дошкуляють круглим волокнам під механічним навантаженням .

Цілком новий спосіб виготовлення плоских волокон

Замість того, щоб сплющувати кругле волокно після витягування — поширений, але неточний підхід — команда винайшла спеціалізований метод виготовлення. Вони склали кремнеземні пластини у плоску заготовку та використали лазерне зварювання скла для герметизації боків, створюючи внутрішні мікроструктури, такі як повітряні канали .

Цю заготовку потім витягнули на звичайній вежі витягування волокна з контрольованим тиском у мікроструктурах для підтримання форми та товщини стінок . Нарешті, фемтосекундне лазерне письмо (λ=515 нм, імпульси 200 фс) вписало волоконні бреггівські решітки та прямокутні хвилеводи безпосередньо всередині плоского волокна .

Цей підхід на основі заготовки зберігає внутрішню геометрію з набагато більшою точністю, ніж сплющування після витягування, що дозволяє відтворювано виготовляти профіль з високим аспектним відношенням.

Більше ніж тиск: вимірювання температури олов'яним сплавом та інші можливості

Платформа HARFF за своєю суттю сумісна з волоконно-бреггівською решіткою (FBG) для вимірювання деформації, температури та тиску . Але команда продемонструвала особливо вдале покращення чутливості до температури: вони заповнили частину внутрішньої мікроструктури олов'яним (Sn-сплав) металом. Така багатоматеріальна конструкція значно підвищила чутливість волокна до температури .

Разом можливості вимірювання тиску та температури роблять HARFF справжнім багатопараметричним сенсором в одній компактній скляній стрічці.

Де використовуватимуть це волокно?

Оскільки оптичні волокна стійкі до електромагнітних перешкод, легкі та можуть працювати в агресивних середовищах, платформа HARFF пропонує універсальне оновлення як для звичайних круглих оптичних волокон, так і для електронних сенсорів . Дослідники називають сфери застосування у шести галузях :

• Аерокосмічна промисловість: вбудовування в композитні матеріали для визначення внутрішньої деформації та тиску в літаках і дронах.
• Енергетичні системи: моніторинг структурного здоров'я та умов довкілля у виробництві та розподілі електроенергії.
• Інфраструктура: безперервний моніторинг деформації та тиску в мостах, будівлях та цивільних спорудах.
• Біомедичні пристрої: компактні, стійкі до ЕМП сенсори для медичного обладнання.
• Моніторинг батарей: виявлення змін тиску та температури всередині елементів батарей як ранні ознаки аномальної поведінки.
• Інтелектуальні дрони: легке, мультиплексоване зондування для контролю структурного здоров'я та динаміки польоту.

Підсумок

HARFF є фундаментальним переосмисленням того, чим може бути оптичне волокно. Відмовившись від круглого перерізу, який визначав оптоволокно десятиліттями, дослідники отримали 1000-кратне покращення чутливості до тиску та додали багатопараметричні можливості — і все це з використанням звичайних веж витягування та добре вивчених кремнеземних матеріалів. Результат — сенсорна платформа, готова до реального впровадження в усьому: від мостів до батарей.