Une bulle d’air dans une fibre optique: le senseur de déformation le plus sensible au monde !
Les mesures de très faibles déformations ont un très grand intérêt pour des études de biologie, des applications de surveillance médicale et pour la nanotechnologie. En utilisant une soudeuse de fibres du commerce, des chercheurs de l’Université de Shenzhen en Chine ont réussi à inclure dans une fibre optique une bulle d’air de forme rectangulaire et ont ainsi obtenu le senseur de déformation le plus sensible au monde.
Dans ce but, cela, on incorpore dans une fibre optique monomode, en en soudant deux segments, une bulle d’air rectangulaire de fines parois latérales.
Crédit Wikipedia Creative Commons
Inclusion d’une bulle de taille donnée dans la fibre optique
L’incorporation d’une bulle d’air dans une fibre se fait, à l’aide d’ une soudeuse de fibre optique du commerce, en effectuant la série de manipulations que l’on peut suivre sur les schémas de la figure 1 ci-dessous.
Fig.1. Fabrication d’une bulle d’air mince rectangulaire à l’intérieur d’une
fibre optique monomode.
I. Deux segments de fibre optique monomode aux extrémités clivées sont placés dans les mâchoires gauche et droite d’une soudeuse de fibre optique du commerce.
II. Les deux extrémités sont arrondis par décharge électrique entre
les électrodes de la soudeuse
III. Les deux bouts hémisphériques des fibres sont recouverts d’un
liquide visqueux pour objectif à immersion.
IV. Les deux extrémités des fibres sont rapprochées l’une de l’autre
jusqu’à obtenir un recouvrement donné (2d0) .
V. Un arc électrique entre les électrodes de la soudeuse soude les
extrémités des fibres et une bulle d’air se forme au milieu.
VI. En déplaçant en sens inverse les mâchoires pendant que le verre est
encore chaud et ductile, on rend la bulle rectangulaire et on réduit
l’épaisseur de ses parois extérieures.
Crédit Scientific Reports C.C.
Interféromètre de Fabry-Perot
La bulle constitue un minuscule interféromètre de Fabry-Perot. Les deux surfaces semi-réfléchissantes parallèles qui constituent un tel dispositif sont ici constituées par les interfaces air-verre des parois de la bulle d’air normales à son axe.
Ce type d’interféromètre peut aussi être utilisé en transmission.
Mesure d’une déformation avec le senseur Fabry-Perot à fibre optique.
L’extrême finesse de la paroi extérieure de la bulle permet une forte variation de la distance entre les interfaces de la bulle lorsqu’on déforme la fibre optique.
La fibre ainsi munie de sa bulle est alimentée par une source de lumière de large bande. Un coupleur directionnel optique sépare la lumière réfléchie de la lumière incidente et l’envoie sur un analyseur de spectre optique, Fig.2. ci-dessous.
Fig.2 Une source de lumière à large bande alimente la fibre en haut à gauche qui est branchée sur le coupleur directionnel. la lumière continue son trajet dans la fibre qui contient la bulle d’air Fabry-Perot. La lumière réfléchie sur les deux interfaces air-verre de la bulle repart dans la fibre et est envoyée par le coupleur directionnel dans l’analyseur de spectre optique.
Crédit Scientific Reports C.C., Sensors.
La longueur d’onde correspondant au maximum d’amplitude du signal d’interférence dépend de la distance entre les interfaces de la bulle. Toute déformation de la partie de la fibre qui contient la bulle fait varier cette distance, donc la longueur d’onde précédente.
On donne ci-après la courbe de sensibilité du senseur de déformation. On remarque que la réponse du senseur à la déformation est linéaire et égale à 43,0 pm/µε (1pm= 1 picomètre = 10-12 m). Donc, pour une déformation Δl/l = 10-6, on aura une variation de longueur d’onde de 43,0 pm.
Fig.3. Courbe de la variation de la longueur d’onde correspondant à un maximum de signal lumineux en fonction de la déformation exprimée en µε .
Cette sensibilité de 43,0 pm/µε a été obtenue avec une fibre optique munie d’une bulle d’air formant une cavité de 61 µm avec des parois extérieures de 1 µm. Elle surpasse d’un ordre de grandeur la sensibilité des divers dispositifs à fibre optique essayés jusqu’alors. En outre, le senseur à bulle d’air rectangulaire est très peu sensible à la température, ce qui entraîne un effet sur la mesure de déformation de seulement 0,046 µε/°C. La technique utilisée est très simple et n’utilise que des fibres et une soudeuse de fibre d’utilisation courante.
Pour en savoir plus :
High-sensitivity strain sensor based on
in-fiber rectangular air bubble,
Shen Liu, Kaiming Yang, Yiping Wang, Junle Qu, Changrui Liao, Jun He, Zhengyong Li, Guolu Yin, Bing Sun, Jiangtao Zhou, Guanjun Wang, Jian Tang & Jing Zhao
SCIENTIFIC REPORTS, | 5 : 7624 | DOI: 10.1038/ srep07624
In-Line Fiber Optic Interferometric Sensors in Single-Mode Fibers
Tao Zhu *, Di Wu, Min Liu and De-Wen Duan
Sensors 2012, 12, 10430-10449; doi:10.3390/s120810430
