Sensore di campo magnetico rapido e sensibile basato su fibra di cristallo fotonico con nanofori infiltrati di fluido magnetico

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 9672 (2022) Citare questo articolo

1987 Accessi

8 citazioni

8 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

È stato dimostrato un sensore di campo magnetico con tempo di risposta rapido (0,1 s) utilizzando una fibra di cristallo fotonico con fori d'aria di dimensioni nanometriche infiltrati con fluido magnetico a base di glicole polietilenico. È stato studiato in dettaglio l'effetto della concentrazione di nanoparticelle magnetiche nel fluido sulle prestazioni del sensore magneto-ottico e la sua dipendenza sotto carichi di campo magnetico variabili. In particolare, la risposta del sensore è stata modellata analiticamente con una funzione di Langevin con un buon adattamento (R\(\ge \)0,996). È stato registrato un punto di rilevamento della soglia di soli 20 gauss ed è stato dimostrato un intervallo di rilevamento di 0–350 gauss mediante misurazioni della trasmissione ottica. I risultati sperimentali sono stati convalidati dalla teoria utilizzando un modello di trasmissione della luce in guida d'onda alimentato da simulazioni con il metodo degli elementi finiti delle principali modalità guidate nel sensore in fibra infiltrata. Il semplice schema di interrogazione, l'elevata sensibilità e i tempi di risposta rapidi rendono la sonda magnetofluidica ibrida in fibra ottica proposta una piattaforma promettente per nuove applicazioni di rilevamento biochimico.

Con l’avvento dell’Internet delle cose, dei sensori indossabili e della medicina personalizzata, c’è una crescente domanda di sensori compatti e affidabili per fornire biosensing e monitoraggio ambientale agli utenti e agli esseri artificialmente intelligenti. Tra i vari tipi di sensori basati su fibra ottica, le fibre speciali infiltrate con fluido magnetico hanno recentemente attirato l'attenzione verso lo sviluppo di sensori di campo magnetico altamente sensibili e compatti. I sensori di campo magnetico sono stati ampiamente utilizzati nelle misurazioni della corrente elettrica, nella metallurgia, nell'industria energetica, nel rilevamento biomedico, nell'esplorazione di petrolio e gas e nell'industria aeronautica1,2,3. I metodi più comuni si basano su magnetotransistor, magnetoresistivo, fluxgate o effetto Hall per rilevare e misurare i campi magnetici4,5,6. Questi sensori presentano alcuni inconvenienti legati al consumo energetico, al multiplexing limitato, ai costi, alla miniaturizzazione e alle capacità di monitoraggio remoto. Inoltre, le sorgenti di campo elettrico circostanti tendono a introdurre rumore attraverso interferenze elettromagnetiche nei circuiti elettronici7.

Rispetto ai sensori convenzionali, i sensori di campo magnetico basati su fibra ottica offrono vantaggi chiave promettenti come dimensioni compatte, immunità alle interferenze elettromagnetiche, monitoraggio remoto e funzionalità di multiplexing attraverso modalità di reti ottiche, elevata affidabilità e sensibilità. I primi sensori di campo magnetico in fibra ottica segnalati negli ultimi quattro decenni utilizzavano materiali magnetostrittivi insieme all'interferometria di Mach-Zehnder mentre altri schemi sfruttano i cambiamenti nello stato di polarizzazione della luce8,9,10,11.

Nel frattempo, con la crescita delle nanotecnologie e l'avvento dei liquidi funzionalizzati con nanoparticelle, vengono studiate applicazioni emergenti dei cosiddetti fluidi magnetici (MF) nel campo dei sensori. Un MF è un liquido tipicamente composto da nanoparticelle magnetiche (MNP) a dominio singolo rivestite con tensioattivo in sospensione all'interno di un veicolo liquido e con proprietà fisico-chimiche ingegnerizzate tra cui suscettibilità magnetica, polidispersità e interazioni dipolari. Grazie alle sue proprietà magneto-ottiche personalizzabili, gli MF sono stati applicati in una varietà di dispositivi fotonici, inclusi reticoli ottici12, interruttori ottici13, modulatori14, accoppiatori15 e sensori di campo magnetico16.

La capacità di mostrare un indice di rifrazione (RI) dipendente dal campo magnetico17,18 attribuito alla distribuzione microstrutturale degli MNP all'interno dell'MF è un parametro chiave utilizzato in molte applicazioni di rilevamento. Di conseguenza, diverse configurazioni di fibre ottiche in combinazione con MF sono state ben studiate come sensori di campo magnetico. Possono essere utilizzati in tre diverse configurazioni, inizialmente sotto forma di film sottile MF all'estremità della sezione trasversale della fibra ottica, come rivestimento di una fibra incisa/rastremata (nella sezione centrale) e infine come materiale di riempimento all'interno la fibra. Per la prima configurazione sono stati segnalati diversi sensori basati su Fabry-Pérot che incorporano MF all'interno di una sezione di fibra ottica19,20. Questa tecnica soffre di sensibilità alla dilatazione termica e di un processo complicato per calcolare e fabbricare le dimensioni corrette della cavità. Questi problemi sono stati risolti nelle fibre coniche incise21,22, tuttavia queste fibre assottigliate sono molto fragili a causa della loro bassa resistenza meccanica. Infine, iniettando il MF all'interno della fibra, non solo vengono preservate le caratteristiche microstrutturate originali ma l'intera fibra offre anche un'area di interazione estesa che ne esalta la sensibilità23. In questo lavoro presentiamo una speciale fibra di cristallo fotonico (PCF) con fori d'aria su scala nanometrica infiltrati con MF. Le prestazioni del sensore, inclusi sensibilità, punti di soglia e saturazione, tempi di risposta/recupero, sono state studiate in dettaglio per varie concentrazioni di MF. Questo lavoro è organizzato come segue: la sezione "Processo di fabbricazione e principio di funzionamento" descrive il processo di infiltrazione del PCF e il principio di rilevamento. Nella sezione "Risultati e discussione" vengono considerate le indagini sperimentali sull'effetto delle concentrazioni di MF nelle risposte dei sensori. Inoltre, sono state effettuate simulazioni numeriche riguardanti la potenza di uscita, seguite poi da un confronto tra i risultati sperimentali e quelli della simulazione. Il sensore funzionale proposto con caratteristiche quali dimensioni compatte e tempi di risposta/recupero rapidi potrebbe trovare applicazioni nel futuro rilevamento biochimico e industriale.