Rumo ao nanocristal REPO4

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12891 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Fibras ópticas dopadas com nanopartículas aprimoradas com espalhamento Rayleigh, para aplicações de detecção distribuída, são uma nova tecnologia que oferece vantagens exclusivas para a comunidade de fibra óptica. No entanto, a tecnologia de fabricação existente, baseada em nanopartículas alcalino-terrosas cultivadas in situ, é restrita a poucas composições e apresenta grande dependência de muitas condições experimentais. Além disso, ainda existem diversas incertezas sobre o efeito do processo de trefilação nas características das nanopartículas e sua influência no aumento do espalhamento e na perda óptica induzida. Neste trabalho, lançamos luz sobre todas essas questões que impedem o progresso no campo e demonstramos a adequação da dopagem de fibras ópticas com nanocristais YPO4 para o desenvolvimento de fibras ópticas dopadas com nanopartículas aprimoradas com espalhamento Rayleigh sintonizável. Um exaustivo estudo microestrutural 3D revela que suas características estão intimamente ligadas ao processo de trefilação da fibra, o que permite a engenharia de tamanho e forma em nanoescala. Em particular, os nanocristais YPO4 preservam em grande parte suas características quando as fibras ópticas são estiradas abaixo de 1950 °C, o que permite a obtenção de características nanocristais homogêneas e desempenho óptico. As fibras fabricadas exibem um retroespalhamento aprimorado sintonizável na faixa de 15,3 a 54,3 dB, em relação a uma fibra SMF-28, e perdas ópticas bidirecionais na faixa de 0,3 a 160,7 dB/m, reveladas por medições de reflectometria de retroespalhamento óptico (OBR). . Isto permite comprimentos de detecção de 0,3 m até mais de 58 m. O presente trabalho sugere um futuro brilhante dos nanocristais YPO4 para o campo de detecção distribuída e abre uma nova porta para a incorporação de outros nanocristais de ortofosfato de terras raras (REPO4) com características pré-definidas que irão superar as limitações da atual cultura alcalina terrosa cultivada in situ. tecnologia baseada.

Fibras ópticas de sílica dopadas com nanopartículas são um campo emergente que vem atraindo cada vez mais atenção nos últimos anos entre a comunidade científica. Isto justifica-se pelo facto desta tecnologia permitir manter as diversas vantagens que as fibras ópticas de sílica oferecem juntamente com novas funcionalidades introduzidas pelas nanopartículas incorporadas1,2,3. Entretanto, fatores derivados da presença desses centros de espalhamento, como o espalhamento de Rayleigh induzido, que está intimamente relacionado às suas características, podem limitar sua aplicabilidade. Aliás, as temperaturas extremas típicas do processo de fabricação, geralmente acima de 2.000 °C, determinam fortemente as características das nanopartículas, que podem ser modificadas em relação às inicialmente incorporadas4. Assim, é necessário um alto controle das diferentes etapas envolvidas no processo de fabricação para poder manter as funcionalidades buscadas nas fibras ópticas de sílica projetada.

Uma das tendências atuais em fibras ópticas dopadas com nanopartículas é aumentar o espalhamento Rayleigh, enquanto controla a atenuação induzida da fibra óptica. A detecção do espalhamento Rayleigh intrínseco ao longo da fibra é utilizada em sensores distribuídos de fibra óptica (DOFS) como assinatura espacial da fibra, que é sensível a parâmetros como deformação, temperatura ou índice de refração, entre outros, com alta resolução espacial ao longo toda a fibra em teste5,6. Em particular, a reflectometria óptica de retroespalhamento (OBR) é um dos métodos mais populares que explora a reflectometria óptica de domínio de frequência (OFDR) para medir o espalhamento Rayleigh na fibra óptica por meio da luz retroespalhada . O interesse crescente deste método nos últimos anos, adequado para detecção de comprimentos inferiores a 100 m, é explicado pela sua alta sensibilidade combinada com uma resolução espacial que pode atingir a escala submilimétrica8,9.

Recentemente, foi demonstrado que fibras ópticas dopadas com nanopartículas melhoradas com espalhamento Rayleigh são altamente promissoras para aplicações de detecção distribuída, uma vez que apresentam diversas vantagens em relação a outros métodos considerados na literatura . Além do fato de ter sido demonstrado um melhor compromisso entre o aprimoramento do espalhamento e as perdas ópticas , essas fibras ópticas dopadas com nanopartículas podem ser manipuladas como fibras padrão, facilitando assim sua aplicabilidade. Esta abordagem foi demonstrada pela primeira vez para fibras dopadas com nanopartículas à base de MgO, co-dopadas com érbio, que eram adequadas para detecção distribuída de índice de refração, deformação, temperatura e detecção de forma 3D . Neste tipo de fibra, nanopartículas à base de MgO são cultivadas in situ no núcleo de pré-formas e fibras com tamanho aleatório e padrão de distribuição aleatório. No entanto, a forte dependência do aumento do espalhamento de Rayleigh e da atenuação óptica no tamanho aleatório das nanopartículas e na sua distribuição aleatória dificulta, até certo ponto, esta abordagem em termos de reprodutibilidade e escalabilidade. Além disso, embora as nanopartículas à base de MgO tenham sido otimizadas até 48,9 dB e 14,3 dB/m, respectivamente, para aprimoramento do espalhamento Rayleigh e atenuação bidirecional, os comprimentos de detecção ainda estavam restritos a menos de 3 m. Em todos esses trabalhos foi utilizada a abordagem de dopagem em solução para a preparação da pré-forma, com concentrações de solução precursora de 0,1 M de MgCl2. Como nenhum fenômeno de separação de fases foi observado para valores de concentração inferiores a 0,1 M, foi gerada uma grande densidade de nanopartículas separadas por fases, o que consequentemente aumentou a atenuação óptica das fibras ópticas. Superamos esse problema e mostramos que a ligeira modificação da matriz à base de sílica, com certa quantidade de fósforo e germânio, permite a formação de nanopartículas à base de Ca separadas por fases em concentrações de solução de imersão de CaCl2 tão baixas quanto 0,005 M. Consequentemente, as fibras ópticas dopadas com nanopartículas baseadas em Ca aprimoradas com espalhamento Rayleigh projetadas eram adequadas para comprimentos de detecção de longo alcance, de 5 m a mais de 200 m, com um retroespalhamento aprimorado sintonizável na faixa de 25,9-44,9 dB junto com bidirecionais relativamente baixos perdas ópticas, 0,1–8,7 dB/m. No entanto, nesse trabalho, as nanopartículas à base de Ca também foram cultivadas in situ, e o fenômeno de separação de fases, e portanto as características das nanopartículas, mostraram uma grande dependência de diversas condições de fabricação de pré-formas, como temperatura de vitrificação, concentrações da solução de imersão e composição do vidro à base de sílica. Além disso, sugerimos que durante o processo de trefilação as nanopartículas sofreram uma dissolução e renucleação em função da temperatura de trefilação, o que afetou fortemente sua morfologia e tamanho. Também encontramos uma grande dependência experimental para o crescimento in situ de nanopartículas ricas em Sr e Ba .