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Aug 25, 2023

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Scientific Reports volume 12,

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 7849 (2022) Citare questo articolo

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Viene proposto e dimostrato sperimentalmente un inclinometro basato su interferometro di Michelson (MI) in fibra, che consiste in una fibra giuntata per disallineamento con rivestimento finale. La luce incidente divisa nel giunto di giunzione per disallineamento viene riflessa sul rivestimento finale e quindi riaccoppiata nel nucleo della fibra. A causa della differenza di fase tra la modalità core e la modalità di rivestimento \(m{\text{th}}\), si forma un tipico MI. La fibra in prossimità del giunto di giunzione disallineamento è inserita in due tubi capillari di quarzo. L'inclinazione del tubo capillare in quarzo porta a una significativa deformazione e curvatura del giunto di giunzione disallineamento, che provoca la modifica della lunghezza d'onda e dell'intensità dello spettro MI. I risultati sperimentali indicano una buona risposta nell'intervallo angolare compreso tra 0° e 50°. Vengono realizzate sia la modulazione della lunghezza d'onda che la modulazione dell'intensità, con sensibilità rispettivamente di 0,55 nm/grado e 0,17 dB/grado. Inoltre, il sensore mostra una forte dipendenza dall'orientamento a causa della struttura asimmetrica nel giunto di giunzione disallineamento.

I sensori di inclinazione (noti anche come inclinometri) sono ampiamente utilizzati in molte applicazioni, tra cui il monitoraggio della salute strutturale, la previsione delle frane, la misurazione geotecnica/civile e il rilevamento dei gesti. Negli ultimi anni, gli inclinometri a fibra ottica sono di grande interesse per i loro vantaggi unici di dimensioni compatte, monitoraggio remoto, insensibilità ai gas infiammabili ed esplosivi1,2, ecc. Sono stati sviluppati vari schemi di inclinometri a fibra ottica, che possono essere principalmente classificati in due tipologie: basati su reticolo e basati su interferometro3,4,5,6. Prendiamo come esempio il reticolo in fibra di Bragg (FBG), la pre-elaborazione come la lucidatura e la rastremazione può accoppiare la luce dal nucleo al rivestimento, rendendo l'FBG sensibile al cambiamento dell'angolo7,8,9. Tuttavia, la pre-elaborazione indebolisce la resistenza meccanica della fibra e i sensori solitamente soffrivano di instabilità. Inoltre, sia il reticolo in fibra di Bragg inclinato (TFBG) che il reticolo in fibra a lungo periodo (LPFG) sono strutture tipiche per accoppiare la modalità core alla modalità rivestimento, che possono essere applicati come inclinometri10,11,12. Tuttavia, le caratteristiche di rilevamento basate sullo spettro di trasmissione ne limitano l'applicazione laddove sarebbe preferibile una sonda a terminazione singola (ad esempio applicazioni in vivo)13. Come un altro tipo di dispositivo in fibra ottica, anche gli interferometri in fibra con bracci di interferenza separati sono sensibili all'inclinazione14. Ad esempio, il cono fuso viene impiegato per l'accoppiamento delle modalità core-cladding, in cui si ottiene lo spettro di interferenza15. Poiché la regione rastremata è morbida e facile da piegare, sono stati proposti molti inclinometri basati sulla rastremazione fusa16,17,18. Lo svantaggio di questa struttura è che il cono fuso è facile da rompere e il campo di misurazione è ridotto. Inoltre, diverse fibre con disallineamento del campo modalità core vengono anche giuntate per formare un interferometro per la misurazione dell'inclinazione, come la fibra a nucleo sottile19, la fibra a cristallo fotonico a nucleo cavo20,21, la fibra multirivestimento22, ecc. Questo tipo di sensore presenta un'elevata sensibilità, tuttavia, queste fibre speciali sono costose e il processo di produzione è complicato23.

In questo articolo, proponiamo e dimostriamo sperimentalmente un inclinometro basato sull'interferometro di Michelson (MI) utilizzando una configurazione semplice: una fibra monomodale (SMF) giuntata per disallineamento con rivestimento finale. Diversamente dalle strutture di giunzione per disallineamento riportate utilizzate per la misurazione di curvatura24, flessione25,26 e deformazione, la sonda di rilevamento proposta è inserita in due tubi capillari di quarzo vicino al giunto di giunzione per disallineamento. L'inclinazione del tubo al quarzo modifica il rapporto di accoppiamento tra la modalità core e le modalità rivestimento, determinando lo spostamento dello spettro di riflessione. In questo modo si ottiene una misurazione dell'inclinazione altamente sensibile. L'inclinometro mostra un'elevata sensibilità di 0,55 nm/grado, che lo rende un buon candidato per la misurazione dell'inclinazione.