Распутывающий свет

Эй Джей Флейшер (справа) и Тобиас Херман (слева) с экспериментальной установкой. Лазер излучает свет, которым манипулируют на столе, создавая две гребенки оптических частот. Свет от этих гребен объединяется и подается в оптоволоконный кабель, содержащий фотонный датчик, расположенный внутри колодца с контролируемой температурой. Наконец, световой сигнал считывается радиочастотными детекторами.

Дженнифер Лорен Ли/НИСТ

Фотонные термометры, которые измеряют температуру с помощью света, могут совершить революцию в измерении температуры, поскольку они быстрее, меньше и надежнее традиционных термометров. По сути, датчики работают, пропуская свет в структуру, чувствительную к температуре. Свет, исходящий от устройства, дает ученым информацию о температуре, воздействию которой подвергся датчик.

Когда-нибудь эти крошечные термометры – и дополнительные типы фотонных датчиков, которые измеряют напряжение, влажность, ускорение и другие величины – можно будет встраивать в такие конструкции, как здания или мосты, по мере их возведения. Измеряя эти свойства во время схватывания бетона или цемента, фотонные датчики могут дать инженерам ценную информацию о том, как сформировалась конструкция, что может помочь им спрогнозировать, как конструкция будет работать в долгосрочной перспективе.

Но одна проблема, которую исследователи еще не решили, — это лучший способ «опросить» эти фотонные датчики, то есть подавать свет и выключать его. Традиционные методы, предполагающие использование лазеров для создания каждой частоты света, попадающего на датчик, сложны, медленны, дороги и громоздки.

Дженнифер Лорен Ли/НИСТ

Теперь исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали и протестировали способ опроса этих датчиков примерно в 10–1000 раз быстрее, чем предыдущие методы. Они делают это с помощью так называемой двухчастотной гребенчатой ​​системы, которая в прошлом использовалась для таких задач, как измерение следовых количеств парниковых газов, но никогда раньше не использовалась с фотонными термометрами.

Эксперимент, подтверждающий принцип работы, приближает их на шаг к коммерциализации этой технологии.

«Я был удивлен тем, насколько хорошо это сработало», — сказал Зишан Ахмед из NIST.

Дополнительным преимуществом является то, что, в отличие от традиционных методов подачи света на датчики и выхода из них, система с двумя гребенками может поддерживать одновременно несколько фотонных датчиков, что еще больше снижает размер и стоимость будущей коммерческой системы.

Чтобы использовать фотонный термометр, исследователи поместили свет многих длин волн в оптоволоконный кабель. Этот свет взаимодействует с каким-то датчиком — в данном случае с решеткой, состоящей из ряда меток травления внутри волокна.

Шон Келли/НИСТ

Способ взаимодействия света с решеткой зависит от температуры. И исследователи сигналов получают в результате воздействия температуры уменьшение амплитуды – по сути, «провал» – света одной из многих длин волн, которые они вводят в волокно. Какая длина волны имеет провал, говорит им, какую температуру испытывает датчик.

Но как передать в волокно свет разных длин волн?

Один из традиционных способов — «размахивать» лазером, создавая по одной серии волн разной длины и посылая каждую из них в датчик. Чтобы сохранить точность, исследователи должны сделать дополнительный шаг по сравнению каждой длины волны со стандартом, который подтверждает, что генерируемая ими длина волны соответствует той, которую они предполагали.

«Это медленный способ ведения дел», — сказал Ахмед. Это немного похоже на игру в «Двадцать вопросов»: вы спрашиваете датчик, та ли это длина волны с провалом? Нет. А как насчет этого? Нет.

Скорость особенно важна для применений, где температура меняется быстро - например, при измерении микросекундных (миллионных долей секунды) изменений температуры в результате дозы радиации при лучевой терапии, типе лечения рака, при котором используются лучи света для нагревать и убивать раковые клетки.