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.

Une fibre optique est un fil en verre (silice) ou en plastique dans laquelle la lumière peut se propager avec une faible atténuation. Elle est constituée d’un cœur entouré d’une gaine. Le cœur a un indice un peu plus élevé que la gaine et la lumière y est confinée par réflexion totale. La figure schématique ci-dessous représente les deux types les plus fréquents de fibre optique, la fibre multimode qui admet plusieurs modes de propagation, donc plusieurs trajectoires de rayons, et la fibre monomode, plus fine, qui n’en admet qu’un, avec une seule trajectoire parallèle à l’axe de la fibre. 550px-Optical_fiber_types_500_f
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 morceaux 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 (d0) . 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 exté. Crédit Scientific Reports C.C.

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.

Un interféromètre de Fabry-Perot est constitué par deux lames semi-réfléchissantes parallèles. En réflexion, on observe l’interférence entre un rayon (A) réfléchi sur la première interface et les rayons successifs               ( B,C,D,…..) réfléchis par les deux interfaces. Fabry-Perot_500Ce 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.

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 appelle « déformation » d’un solide sous l’action d’une contrainte le rapport entre la variation Δl d’une de ses dimensions et la valeur l de celle-ci au repos. Ce rapport est sans dimension, on a l’habitude de l’exprimer en µε, c’est à dire en nombre de fois 10-6.

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 .

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

 

 

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