Summary
هذا العمل تقارير مقلوب السليكون الألياف البصرية الاستشعار عن منطلقات مبتكرة (Si-فوسب) لقياس ذات دقة عالية واستجابة سريعة لمجموعة متنوعة من البارامترات الفيزيائية، مثل درجة الحرارة، وتدفق، والإشعاع. تطبيقات لهذه الرابطة-فوسب تمتد من البحوث الأوقيانوغرافية، الصناعة الميكانيكية، لبحوث الطاقة الانصهار.
Abstract
في هذه المقالة، نحن نقدم المبتكرة والواعدة عمليا الألياف البصرية الاستشعار عن منصة (فوسب) التي نحن المقترحة، وبرهنت على ذلك مؤخرا. هذا فوسب تعتمد على سليكون فابري-بيرو السابر (الجبهة الشعبية الإيفوارية) يعلق على نهاية الألياف، يشار إلى سي-فوسب في هذا العمل. سي-فوسب يولد رسم يحدده طول المسار الضوئي (المناضل) تجويف السليكون. عينتان يغير منظمة الشعب المناضل، وهكذا ينتقل رسم. بسبب الخصائص الضوئية والحرارية فريدة من مادة السليكون، يسلك هذا سي-فوسب على أداء أفضل من حيث الحساسية وسرعة. وعلاوة على ذلك، يمنح لصناعة تصنيع السيليكون ناضجة Si-فوسب مع إمكانية تكرار نتائج ممتازة، وانخفاض تكلفة نحو التطبيقات العملية. اعتماداً على تطبيقات محددة، وستستخدم نسخة منخفضة الجودة أو الجودة العالية، وستعتمد طريقتين الاستخلاص بيانات مختلفة تبعاً لذلك. وسيتم توفير بروتوكولات مفصلة لاختلاق كلا الإصدارين من سي-فوسب. سيظهر ثلاثة طلبات الممثل ونتائجها وفقا. أول واحد هو مقياس حرارة تحت الماء نموذج أولى للتنميط ثيرموكلينيس المحيط، والثاني مقياس التدفق لقياس سرعة التدفق في المحيط، وآخر واحد بولومتر المستخدمة لرصد الإشعاع العادم من مغناطيسيا تقتصر بلازما ذات درجة الحرارة العالية.
Introduction
أجهزة الاستشعار الألياف البصرية (البرمجيات) كانت محط للعديد من الباحثين بسبب خصائصه الفريدة، مثل صغر حجمه ومنخفضة التكلفة، وخفيفة الوزن، وحصانتها للتداخل الكهرومغناطيسي (EMI)1. ووجدت هذه البرمجيات تطبيقات واسعة في العديد من المجالات مثل الرصد البيئي ومراقبة المحيطات، والتنقيب عن النفط والعمليات الصناعية بين أمور أخرى. عندما يتعلق الأمر باستشعار المتصلة بدرجة الحرارة، البرمجيات التقليدية ليست متفوقة من حيث القرار والسرعة في الحالات حيث يستحسن قياس دقيقة وتغيرات درجة الحرارة بسرعة. وتنبع هذه القيود من الخصائص الضوئية والحرارية لمادة السليكا فوسيد التي تستند إليها العديد من هذه البرمجيات التقليدية. من ناحية، المعامل الحرارية البصرية (TOC) ومعامل التمدد الحراري (TEC) والسليكا هي 1.28x10-5 RIU/درجة مئوية و 5.5x10-7 m/(m·°C)، على التوالي؛ هذه القيم تؤدي إلى حساسية درجة حرارة فقط حوالي 13 م/درجة مئوية حول الطول الموجي 1550 نيوتن متر. من ناحية أخرى، تتغير استجابة لتبادل الطاقة الحرارية الانتشارية الحرارية، ومقياس لسرعة درجة الحرارة، وإلا 1.4x10-6 م2/ق والسليكا؛ هذه القيمة لا تفوق لتحسين سرعة القائم على السليكا الحرة والمفتوحة المصدر.
منهاج الاستشعار الألياف البصرية (فوسب) ذكرت في هذه المقالة يكسر القيود المذكورة أعلاه من هذه البرمجيات على أساس والسليكا فوسيد. فوسب جديد يستخدم السيليكون البللوري كمفتاح الاستشعار عن المواد التي تشكل السابر فابري-بيرو عالية جودة (الاستثمار في الحوافظ المالية) في نهاية الألياف، يشار إليه هنا فوسب مقلوب السيليكون (Si-فوسب). ويبين الشكل 1 مبدأ رئيس أجهزة الاستشعار، التي هي جوهر Si-فوسب التخطيطي والتنفيذي. رئيس جهاز استشعار أساسا يتكون من السليكون الطيف التفكير الذي يتميز بسلسلة من الحافات الدوري في الحوافظ المالية،. يحدث التدخل المدمر عندما يفي منظمة الشعب المناضل 2nL = Nλ، n و L هي الانكسار وطول تجويف السليكون FP، على التوالي، حيث N هو عدد صحيح هو ترتيب درجة هامشية. ولذلك، مواقف هامش التدخل استجابة لمنظمة الشعب المناضل تجويف السليكون. اعتماداً على تطبيقات محددة، السيليكون الحوافظ المالية يمكن إجراء إلى نوعين: الجودة المنخفضة في الحوافظ المالية والاستثمار في الحوافظ المالية عالية الجودة. الجبهة الشعبية الإيفوارية منخفضة الجودة لديه انعكاسية منخفضة لكل من طرفي تجويف السليكون، بينما الحوافظ المالية عالية الجودة من انعكاسية عالية لكلا طرفي تجويف السليكون. ريفليكتيفيتيس واجهات السليكون-الهواء والسليكون-الألياف هي تقريبا 30 في المائة و 18 في المائة، وبالتالي السيليكون الوحيدة الاستثمار في الحوافظ المالية المبينة في الشكل 1a أساسا الحوافظ المالية منخفضة الجودة. بطلاء طبقة رقيقة عالية-انعكاسية (HR) على كلا طرفي، شكلت سيليكون عالي الجودة الجبهة الشعبية الإيفوارية (الشكل 1b). انعكاسية للطلاء HR (عازل أو الذهب) يمكن أن تصل إلى 98%. لكلا النوعين من سي-فوسب، زيادة n و L عند درجة حرارة يزيد. وهكذا، من خلال رصد التحول هامشية، يمكن استخلاصه تباين درجات الحرارة. لاحظ أن لنفس المقدار من تحول الطول الموجي، يعطي الحوافظ المالية عالية الجودة لتمييز أفضل بسبب الشق هامش أضيق بكثير (الشكل 1 ج). حين Si-فوسب عالية الجودة دقة أفضل، قد منخفضة الجودة سي-فوسب أكبر مجموعة ديناميكية. لذلك، يتوقف الاختيار بين هذه إصدارين على المتطلبات لتطبيق معين. وعلاوة على ذلك، نظراً إلى اختلاف كبير في عرض كامل نصف الحد الأقصى (فوم) فبيس السيليكون منخفضة الجودة، والجودة العالية، أساليب الاستخلاص إشارة مختلفة. على سبيل المثال، فوم النظرية 1.5 نانومتر هو تخفيض عن 50 مرة إلى 30 فقط بعد الظهر عندما طرفي السيليكون الوحيدة الاستثمار في الحوافظ المالية هي مغلفة بطبقة HR 98%. ولذلك، سي منخفضة الجودة-فوسب، مطياف عالية السرعة سيكون كافياً لجمع البيانات وتجهيزها، بينما ينبغي أن تستخدم ليزر مسح demodulate عالية الجودة Si فوسب سبب فوم أضيق بكثير يمكن حلها بشكل جيد مطياف. وسيتم شرح طريقتين الاستخلاص في البروتوكول.
مادة السليكون اختارت هنا متفوقة لدرجة الحرارة الاستشعار فيما يتعلق بالقرار. على سبيل مقارنة، جدول المحتويات، والمجلس التنفيذي الانتقالي من السليكون هي 1.5x10-4 RIU/درجة مئوية و 2.55x10-6 m/(m∙°C)، على التوالي، مما أدى إلى حساسية درجة حرارة حوالي 84.6 م/درجة مئوية وحوالي 6.5 مرات أعلى من جميع القائم على السليكا الحرة والمفتوحة المصدر2. وبالإضافة إلى هذه الحساسية أعلى بكثير، وقد أثبتنا الطول موجي متوسط تتبع أسلوب تخفيض مستوى الضوضاء ومن ثم تحسين دقة جهاز استشعار منخفضة الجودة، مما أدى إلى قرار درجة حرارة ° 6 × 10-4 ج 2، في مقارنة بالقرار 0.2 درجة مئوية سفح المنحدر القائم على السليكا كل3. مواصلة تحسين القرار أن يكون 1.2x10-4 درجة مئوية عالية الجودة إصدار4. مادة السليكون أيضا متفوقة للاستشعار من حيث السرعة. على سبيل مقارنة، الانتشارية الحرارية السليكون 8.8x10-5 م2/ق، وأكثر من 60 مرة أعلى من السليكا2. جنبا إلى جنب مع بصمة صغيرة (مثلاً، 80 ميكرومتر قطرها 200 ميكرون سمك)، وقت الاستجابة لمرض التصلب العصبي المتعدد 0.51 سيليكون سفح المنحدر وقد برهنت،2بالمقارنة مع ms 16 مقرنة الصغرى-السليكا-الألياف نصيحة درجة الحرارة الاستشعار5. على الرغم من أن بعض البحوث الأعمال المتصلة بقياس درجة الحرارة باستخدام الفيلم السليكون رقيقة جداً كما أفيد مادة الاستشعار عن طريق أخرى مجموعات6،7،،من89، أيا منها يمتلك أداء أجهزة الاستشعار لدينا فيما يتعلق بالقرار أو السرعة. على سبيل المثال، أجهزة الاستشعار مع قرار فقط 0.12 درجة مئوية ووقت استجابة طويلة 1 ذكر s. 7 قرار درجة حرارة أفضل من 0.064 درجة مئوية وقد ذكرت10؛ ومع ذلك، محدودة السرعة رئيس جهاز استشعار ضخمة نسبيا. ما الذي يجعل الأكاذيب فوسب Si فريدة من نوعها في طريقة تصنيع جديدة وتجهيز البيانات الخوارزمية.
بالإضافة إلى المزايا المذكورة أعلاه لدرجة الحرارة الاستشعار، يمكن أيضا وضع سي-فوسب في مجموعة متنوعة من أجهزة الاستشعار ذات الصلة بدرجة حرارة تهدف إلى قياس البارامترات المختلفة، مثل الغاز ضغط11، الهواء أو تدفق المياه12،13 ،14 ، والإشعاع4،15. تقدم هذه المقالة وصفاً مفصلاً للاستشعار البروتوكولات الاستخلاص تلفيق وإشارة إلى جانب ثلاثة طلبات الممثل ونتائجها.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1-تصنيع أجهزة الاستشعار منخفضة الجودة
- اصطناع ركائز السليكون. نمط قطعة من 200 ميكرومتر-سميكة السليكون (DSP) الجانب مزدوج-مصقول ويفر إلى ركائز السليكون مستقل (الشكل 2a)، يسهل استخدام تلفيق النظام الجزئي-الكهربائية-الميكانيكية القياسية (ممس).
ملاحظة: يتم المستعبدين يفر منقوشة على آخر رقاقة السيليكون أكبر باستخدام طبقة رقيقة من مقاوم الضوء. قوة الترابط مقاوم الضوء قوية بما يكفي لإجراء الأعمدة منتصبة، ولكن أيضا ضعف ما يكفي لفصل من الركازة للخطوات اللاحقة. - تعد الألياف على الرصاص. علامات إيقاف طلاء البلاستيك النهاية البعيدة للألياف الضوئية طريقة واحدة. تنظيف الجزء جردت استخدام نسيج عدسة وانخفض مع الكحول. تنشق الألياف تنظيفها الساطور ألياف الضوئية باستخدام.
- تطبيق طبقة رقيقة من الغراء الأشعة فوق البنفسجية على النهاية وجه الألياف ملصوق على الرصاص (الشكل 2). وضع قطره صغيرة من الغراء الأشعة فوق البنفسجية على قطعة من الشرائح الزجاجية. رقيقة طبقة الغراء التي تدور-طلاء أو يدوياً يتأرجح الشريحة الزجاجية. نقل طبقة الغراء إلى نهاية الألياف عن طريق الضغط على وجه نهاية الألياف الرصاص ضد الشريحة الزجاجية.
- إرفاق دعامة سليكون إلى نهاية الألياف. محاذاة الألياف الرصاص مع واحدة من ركائز السيليكون، ومن ناحية أخرى رصد الطيف التفكير في الوقت الحقيقي من السيليكون الحوافظ المالية باستخدام مطياف. استخدام مصباح الأشعة فوق البنفسجية لعلاج الغراء عندما يلاحظ طائفة مرضية (الشكل 2 (ج)).
ملاحظة: بشكل عام، تستغرق عملية علاج حوالي 10 إلى 15 دقيقة. - قم بفصل جهاز استشعار من الركازة. بعد الأشعة فوق البنفسجية الغراء يشفي تماما، وأرفع الألياف الرصاص جنبا إلى جنب مع عنصر السيليكون منفصلة من الركازة (الشكل 2d).
ملاحظة: يبقى بعض مقاوم الضوء المتبقي على السطح العلوي لعنصر السيليكون (الشكل 2e). لمعظم الحالات، مقاوم الضوء المتبقية لا يؤثر على الوظيفة من أجهزة الاستشعار. إذا لزم الأمر، يمكن إزالة الطبقة مقاوم الضوء بالكحول. - بحث رئيس جهاز استشعار ملفقة. استخدام مجهر لدراسة هندسة رئيس جهاز استشعار ملفقة. ويعتبر صورة نموذجية لجهاز استشعار ملفقة بنجاح في الشكل 2 واو.
2-تصنيع أجهزة الاستشعار عالية الجودة
- معطف كلا الجانبين من رقاقة السيليكون مع مرايا انعكاسية عالية. معطف جانب واحد من رقاقة السيليكون مزدوجة--الجانب المصقول 75-ميكرومتر-سميكة مع 150 نانومتر الذهب طبقة سميكة باستخدام جهاز طلاء اﻷخرق، ومعطف الجانب الآخر مع مرآة انعكاسية عالية كهرونافذية (الموارد بشرية).
ملاحظة: تم طلاء HR عازل من شركة خارجية؛ تم اختبار انعكاسية من هذا الطلاء أن يكون لا يقل عن 98% من الشركة. ومع ذلك، مواد مفصلة وهيكل للطلاء غير معروفة بسبب حماية الملكية بالشركة، انظر الجدول للمواد لمزيد من المعلومات. - تعد الألياف وتحديدالمنطقه على الرصاص. لصق مقطع قصير من تصنيف مؤشر وضع متعددة الألياف (غي-MMF) مع ألياف طريقة واحدة، ومن ثم، تحت مجهر ضوئي تنشق غي-MMF مع ربع فترة من مسار الضوء داخل MMF اليسار شكل صيد تلسكوب ألياف (الشكل 3a ).
ملاحظة: يتم استخدام غي-MMF توسيع قطر حقل مشروط بحيث يمكن الحصول على طيف مع رؤية أفضل4،16. طول غي-فهيم، وهو حوالي 250 ميكرومتر في هذا العمل، بالضبط ربع فترة مسار رأي. - إرفاق سيليكون مغلفة المزدوج الجانب مجزأة للألياف على الرصاص. تجميع جهاز استشعار عالية الجودة باتباع خطوات مماثلة لربط دعامة سليكون إلى نهاية الألياف لاختلاق أجهزة الاستشعار منخفضة الجودة (خطوات 1.3 – 1.5).
ملاحظة: سوف يتم إرفاق الجانب مع طلاء عازل لصيد تلسكوب السماح بدخول الضوء القادمة (الشكل 3، 3 ج). وفي هذه الحالة، يتم استبدال عنصر السيليكون السابقة مع جزء سليكون، التي كانت منقوشة لا. في المستقبل، سوف تكون مغلفة رقاقة السيليكون منقوشة مع المرايا انعكاسية عالية، حيث أن أجهزة الاستشعار أكثر تجانساً وأسهل لتصنيع. والفرق في خطوات تصنيع 1.3-1.5 أن درجة انعكاس أطياف مع الرؤية الصحيحة ينبغي الحصول عليها أولاً قبل الغراء ونقل إلى نهاية وجه صيد تلسكوب. - البولندية في الجزء من السيليكون على شكل غير منتظم في شكل دائري باستخدام ألياف بصرية لتلميع آلة.
- بحث رئيس جهاز استشعار ملفقة. استخدام مجهر لفحص رئيس جهاز استشعار للتأكد من تحقيق شكل دائري المرغوب فيه (3d الشكل).
3-إشارة الاستخلاص للجودة المنخفضة سي-فوسب
ملاحظة: يبين النظام المستخدم ديمودولاتينج منخفضة الجودة سي-فوسب الشكل 4a. تساعد الخطوات التفصيلية التالية في إعداد النظام والقيام بتجهيز البيانات.
- توصيل مصدر النطاق العريض نطاق C المنفذ 1 من مدوار الضوئية.
- لصق المنفذ 2 من مدوار بصري مع الألياف على الرصاص من جهاز استشعار منخفضة الجودة.
- قم بتوصيل المنفذ 3 من مدوار بصري مطياف عالي السرعة الذي يتصل مع جهاز كمبيوتر لتخزين البيانات.
- تحقق من المجموعة من أجهزة الاستشعار للتأكد من أن النظام يعمل بشكل صحيح. انظر الطيف نموذجي هو موضح في الشكل 4 باء.
4-إشارة الاستخلاص للجودة العالية سي-فوسب
ملاحظة: يبين الشكل 5aالنظام المستخدم ديمودولاتينج عالية الجودة سي-فوسب. تساعد الخطوات التفصيلية التالية في إعداد النظام والقيام بتجهيز البيانات.
- اكتساح ليزر الانضباطي الاتحاد الألماني باستخدام وحدة تحكم الحالية.
ملاحظة: يجب أن يكون الجهد الذروة إلى الذروة الكاسح، الذي يختلف لأشعة الليزر المختلفة ووحدات التحكم، كبيرة بما يكفي لتغطية الشق الطيف. - الاتصال إخراج ليزر الانضباطي للمنفذ 1 من مدوار الضوئية.
- لصق المنفذ 2 من مدوار الضوئية إلى جهاز استشعار عالية الجودة.
- قم بتوصيل منفذ 3 من مدوار بصري فوتوديتيكتور.
- استخدام جهاز اقتناء بيانات لقراءة إخراج photodetector، التي يتم تخزينها بواسطة كمبيوتر.
- تحقق من المجموعة من أجهزة الاستشعار للتأكد من أن النظام يعمل بشكل صحيح. انظر إطار نموذجي من الطيف هو موضح في الشكل 5 (ب). العثور على الموضع وادي استخدام مناسب منحنى متعدد الحدود.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
سي-فوسب كحرارة تحت الماء للتنميط ثيرموكلينيس المحيط
قد أثبتت البحوث الأوقيانوغرافية مؤخرا أن عدم وضوح التصوير تحت الماء نابع ليس فقط من تعكر في المياه الملوثة ولكن أيضا من درجة حرارة المجهرية في المحيط النظيف17،18. تأثير هذا الأخير هو محط للعديد من علماء المحيطات، تهدف إلى إيجاد طريقة فعالة لتصحيح الصور واضحة19، فهم أفضل وتحسين الاتصالات البصرية في المياه، فضلا عن تطوير وسائل التحديد الكمي للاضطراب في المحيط20،21. سي-فوسب المستخدمة كجهاز استشعار درجة حرارة وقد ثبت أن يتفوق على نظيره الحالي لقياس الاختلافات سريعاً في درجة حرارة المياه الاضطرابات22. في هذا التطبيق، يتم استخدام أجهزة الاستشعار منخفضة الجودة هو موضح في الشكل 1a جنبا إلى جنب مع نظام الاستخلاص إشارة في الشكل 4a . نظراً للأداء المتفوق لاستشعار درجة الحرارة Si فوسب، قد وضعت في صك براءة اختراع تحت الماء23 (الشكل 6a)، الذي يهدف إلى وصف ثيرموكلينيس للمياه المفتوحة. يقدم هذا القسم الفرعي نتائج حقل اختبار (الشكل 6b) في "الخزان فلينت كريك" في ولاية ميسيسيبي، الولايات المتحدة الأمريكية.
يبين الشكل 6 ج الحراري المقاسة في خزان خور فلينت في 13 أيلول/سبتمبرth، 2016. تم الحصول على منحنى الأزرق باستشعار درجة الحرارة Si فوسب، بينما تم الحصول على منحنيات أحمر وأسود اثنين الإشارة CTDs التجارية (الأوقيانوغرافيا أدوات لقياس الموصلية ودرجة الحرارة، وعمق مياه البحر). ومن الواضح أن توافق أجهزة الاستشعار درجة الحرارة Si فوسب مع إشارة أجهزة الاستشعار، ولكن مع مزيد من التفاصيل لهياكل درجة الحرارة (انظر الإطار الداخلي الشكل 6 ج) قد تعطي حفنة من المعلومات الإضافية. البيانات أكثر بالمعلومات التي تجمعها أجهزة الاستشعار درجة الحرارة Si فوسب يتوقع أن تؤثر على العديد من فروع البحوث الأوقيانوغرافية.
سي-فوسب ككبير- ديناميكية --استشعار تدفق مجموعة
قياس تدفقات الغاز أو السائل محوري لمختلف القطاعات الأكاديمية والصناعية، التي قد توفر معلومات هامة لعلم المحيطات وبحوث الطقس، وضوابط عملية، والنقل، ورصد البيئة. الممثل النتائج Si فوسب العامل كما ستتجلى جهاز استشعار تدفق. يتم استخدام سي-فوسب منخفضة الجودة لهذا التطبيق. ومع ذلك، منذ استشعار تدفق هذا يحتاج الرأس الاستشعار لتكون ساخنة بنشاط بالليزر آخر، النظام المستخدم يختلف قليلاً عن الذي هو موضح في الشكل 4a. على وجه التحديد، إضافية تدفئة ليزر يستخدم لتنشيط الرأس الاستشعار، ووصفاً مفصلاً للنظام لقياس تدفق تم الإبلاغ عن12،،من1314.
ويبين الشكل 7 ألف استشعار التدفق Si فوسب يقع في خزان لمياه، مع مقارنة جنبا بجنب إلى جهاز استشعار تدفق تجاري. ومن الواضح أن قراءات من أجهزة الاستشعار الألياف عموما تتفق مع ذلك استشعار التدفق التجاري، كما هو موضح في الشكل 7 باء؛ ومع ذلك، المعارض استشعار التدفق Si فوسب استجابة أكثر وضوحاً عندما تهدأ تدفقات المياه، كما يتضح من عرض عن قرب في الشكل 7b.
سي-فوسب أمي- المناعي بولومتر لفيزياء البلازما الحرارة العالية
العلماء التحقيق في فيزياء البلازما الحرارة العالية في tokamaks تحاول تحويل السلطة العادم من المفاعلات الانصهار الحبس المغناطيسي إلى انبعاث فوتون للتخفيف من حدة تدفق الحرارة تؤثر على البلازما التي تواجه مكونات24. ويبين الشكل 8 أ الداخلية توكاماك25. عادة ما يقاس انبعاث فوتون بولومتر. وبينما حققت بولوميتيرس الفيديو مقاوم والأشعة تحت الحمراء بكثافة طاقة ما يعادل ضوضاء (نيبد) 0.2 ث/م2 و 0.23 ث/م2، على التوالي، في26،مختبر بيئة27، هم عرضه للقاسي البيئة المرتبطة بالبلازما الحرارة العالية. سي-فوسب عنها في هذا العمل تبرز باعتبارها بديلاً واعداً بولوميتيرس القائمة. للحصول على إصدار قرار على أعلى مستوى ممكن، سيتم استخدام نسخة عالية الجودة هو مبين في الشكل 1 باء . أيضا، مختلف قليلاً من نظام الاستخلاص قناة واحدة هو موضح في الشكل 5a، سيتم استخدام نظام ثنائي القناة لتعويض للانجراف الليزر باستخدام آخر دمية مرجع4،15.
8b الشكل يعطي نتائج قياس واحد فوسب Si بولومتر في بيئة مختبر، بالمقارنة مع بولومتر مقاوم آخر. وقد لدينا بولومتر فوسب Si نيبد 0.27 ث/م2 وقريبة من ال26،نظيراتها الإلكترونية27. وإذ تلاحظ أن بولومتر Si فوسب المقاومة المتأصلة إلى أمي توجد عادة في فيزياء البلازما الحرارة العالية، من المتوقع عقد وعود كبيرة نحو التطبيقات العملية في tokamaks.
رقم 1: عرض المنخفض-الجودة (أ) الخطط وعالية الجودة (ب) سي-فوسب. (ج) مقلد انعكاس الأطياف من النسختين من سي-فوسبس مع تجويف سيليكون سميك 75 ميكرون. هو تميز التحول الدقيقة من الطيف (من الصلب إلى منحنيات متقطع) أفضل بكثير من أجهزة الاستشعار عالية الجودة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
رقم 2: تلفيق منخفضة الجودة سي-فوسبس- (خطوات تصنيع التخطيطي أ والصورة (و) رئيس جهاز استشعار ملفقة بالمقارنة مع شعر الإنسان. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 3: تصنيع عالية الجودة سي-فوسبس- (خطوات تصنيع التخطيطي أ والصورة (د) لاستشعار ملفقة واحد. اقحم في (د) يظهر عرض أعلى من رئيس جهاز استشعار. MMF غي، وتصنيف مؤشر وضع متعددة الألياف؛ الموارد البشرية، انعكاسية عالية. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 4: نظام (أ) التخطيطي نظام الاستخلاص وإطار نموذجي (ب) واحد من الطيف انعكاسا سي منخفضة الجودة-فوسب. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
رقم 5: نظام (أ) التخطيطي نظام الاستخلاص وإطار نموذجي (ب) واحد من الطيف الممسوحة ضوئياً سي عالية الجودة-فوسب. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 6: نتائج الممثل حرارة تحت الماء- (أ) الصورة و (ب) مجال نشر أداة استشعار prototyped. (ج) Measured الحراري فلينت كريك الخزان، ميسيسيبي، الولايات المتحدة الأمريكية، في 13 أيلول/سبتمبرth، 2016. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
رقم 7: يؤدي الممثل كجهاز استشعار تدفق. (أ) صورة تدفق اختبار الترتيب و (ب) مقارنة بين ميدان قياس التدفق من سي-فوسب وجهاز استشعار التدفق التجاري. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 8: يؤدي الممثل بولومتر لبحوث البلازما الحرارة العالية- (أ) صورة المساحة الداخلية ذات درجة الحرارة العالية البلازما في توكاماك25 ) و (ب) قياس النتائج في بيئة معمل. اعتمد هذا الرقم وتعديله من ويكيميديا كومنز. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
اختيار الحجم (الطول والقطر) من السيليكون في الحوافظ المالية تتم عند المفاضلة بين متطلبات القرار وسرعة. بشكل عام، حجم أصغر يوفر سرعة أعلى، بل يقلل أيضا من القرار2. طول مدة قصيرة مفيدة للحصول على سرعة أعلى، ولكن ليس أعلى للحصول على دقة عالية بسبب فوم موسعة من الشقوق انعكاس. استخدام الطلاءات الموارد البشرية إلى الحد فوم يمكن أن تساعد على تحسين القرار، بل أنها ستحد من النطاق الديناميكي سبب الاستخلاص الإشارات باستخدام المسح الضوئي الليزر. يزيد قطرها أصغر من السرعة، ولكن ينبغي أن تكون القطر أكبر من قطر حقل مشروط من الألياف الرصاص حتى يمكن تحقيق طائفة جيدة. ، ومع ذلك، كما أنها وجدت أن سليكون قطرها أكبر من الألياف يساعد على تحسين الحساسية بولوميتري بسبب فقدان الحرارة انخفاض التوصيل ب الألياف4. ولذلك، اختيار حجم المجس يعتمد اعتماداً كبيرا على تطبيقات محددة.
على الرغم من أن فقط نظهر الهياكل الأساسية جداً، وتلفيق البروتوكولات، ونظم الاستخلاص إشارة للدولية الاشتراكية-فوسب، هناك مختلف التقنيات التي يمكن أن تنسجم مع تطبيقات أخرى أو زيادة تحسين الأداء. على سبيل المثال، بدلاً من استخدام الأشعة فوق البنفسجية الغراء لإرفاق جهاز الاستشعار، يمكن تطبيق انصهار الربط تقنية لرفع درجة حرارة التشغيل أعلاه 1000 درجة مئوية28. مع مثل هذه درجة حرارة تشغيل مرتفعة، ويمكن إجراء أنواع مبتكرة من الأجهزة الضوئية، مثل مايكرو-سخانات وبواعث الأشعة تحت الحمراء، ومولدات فقاعة. مثال آخر هو الضغط الذاتي-درجة حرارة الغاز تعويض الاستشعار عن استخدام الفرق الطول الموجي عند تشغيل الليزر تدفئة وإيقاف11. وعلاوة على ذلك، من خلال تطوير ذروة الرواية التعرف على تقنيات29،30، قياس درجة الحرارة على مدى دينامية طويلة يمكن أن تتحقق.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
قد صدر الولايات المتحدة لبراءات (رقم 9995628 B1) لحماية التكنولوجيات ذات الصلة.
Acknowledgments
هذا العمل كان يدعمها "مختبر أبحاث البحرية الأمريكية" (غ. N0017315P0376، N0017315P3755)؛ مكتب الولايات المتحدة للبحوث البحرية (غ. N000141410139، N000141410456)؛ وزارة الطاقة في الولايات المتحدة (غ. DE-SC0018273، 09CH11466-دو-AC02، دي-AC05-00OR22725).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 200 Proof Pure Ethanol | Koptec | V1001 | |
| 5 Channels Duplex CWDM | Fiber Store | 5MDD-ABS-FSCWDM | |
| Butterfly Laser Diode Mounts | Tholabs | LM14S2 | |
| CastAway CTD | Yellow Springs Instrument | ||
| CTD | Seabird | SBE 19plus | |
| Current Meter | Nortek | Vector | |
| Data Acquisition Device | National Instruments | NIUSB4366 | |
| Digital Oscilloscope | RIGOL | DS1204B | 200 MHz 2 GSa/s |
| Diode Laser | Thorlabs | LM9LP | Wavelength: 632 nm |
| Fixed BNC Terminator Kit | Thorlabs | FTK01 | |
| Function Waveform Generator | RIGOL | DG4162 | 160 MHz 500 GSa/s |
| High Precision Cleaver | Fujikura | CT-32 | |
| High Reflection Dielectric Coating | Evaporated Coating INC (ECI) | Materials and structure of the coating are unknown | |
| I-MON 512 Spectrometer | Ibsen Phtonics | P/N: 1257110 | |
| InGaAs Biased Detector | Tholabs | DET01CFC | FC/PC output:0-10V; Quantity: 2 |
| Laser Diode | Qphotonic | QFLD-405-20S | Wavelength: 405 nm |
| Laser Diode Current Controller | Tholabs | LDC 210C | 1 A and 100 mA range |
| Laser Diode Temperature Controller | Tholabs | TEC 200C | Quantity: 2 |
| Latex Examination Gloves | HCS | ||
| Micro Slides | Corning Incorporated | ||
| Narrow Linewidth DFB Laser | Eblana | EP1550-NLW-B06-100FM | Wavelength:1550 nm |
| Optical Fiber Fusion Splicer | Sumitomo electric industries, LTD | 3822-2 | |
| Optical Microscope and Monitor | Ikegami Tsushinki Company | PM-127 | |
| Optical Spectrum Analyzer | Yokogawa | AQ6370C | wavelength range: 600-1700 nm |
| Polish Machine | ULTRA TEC | 41076 | |
| Post-mountable Irises | Thorlabs | Quantity: 2 | |
| Pump Laser | Gooch and Housego | 0400-0974-SM | Wavelength: 980 nm |
| Si Amplified Photodetector | Thorlabs | PDA36A | Wavelength: 350-1100 nm |
| Silicon wafer | University Wafer | thickness: 10 µm, 200 µm, 75 µm, 40 µm | |
| Single mode fiber | Corning | SMF-28 | |
| Single Mode Fused Fiber Coupler | Thorlabs | Wavelength: 1550 nm | |
| SM 125 interogrator | Micron Optics | ||
| Submersible Aquarium Pump | Songlong | SL-403 | |
| Superluminscent LED | Denselight Semiconductors | DL-BP1-1501A | wavelength range:1510-1590 nm |
| Syringe Pump | Cole Parmer | 74905-02 | |
| Travel Translation Stage | Thorlabs | LT1 | |
| UV curable glue | Epoxy Technology | PB109077 | |
| UVGL-15 Compact UV Lmap | UVP | P/N:95-0017-09 | 254/365 nm |
| Variable Optical Attenuators | Tholabs | M-VA/00016951 P/N: VOA50-APC |
References
- Lee, B. Review of the present status of optical fiber sensors. Optical Fiber Technology. 9, 57-79 (2003).
- Liu, G., Han, M., Hou, W. High-resolution and fast-response fiber-optic temperature sensor using silicon Fabry-Perot cavity. Optics Express. 23, 7237-7247 (2015).
- Hatta, A. M., Rajan, G., Semenova, Y., Farrell, G. SMS fibre structure for temperature measurement using a simple intensity-based interrogation system. Electronics Letters. 45, 1069 (2009).
- Sheng, Q., Liu, G., Reinke, M. L., Han, M. A fiber-optic bolometer based on a high-finesse silicon Fabry-Perot interferometer. Review of Scientific Instruments. , 065002 (2018).
- Ding, M., Wang, P., Brambilla, G. Fast-response high-temperature microfiber coupler tip thermometer. IEEE Photonics Technology Letters. 24, 1209-1211 (2012).
- Berthold, J. W., Reed, S. E., Sarkis, R. G. Reflective fiber optic temperature sensor using silicon thin film. Optical Engineering. 30, 524-528 (1991).
- Kajanto, I., Friberg, A. T. A silicon-based fibre-optic temperature sensor. Journal of Physics E: Scientific Instruments. 21, 652-656 (1988).
- Schultheis, L., Amstutz, H., Kaufmann, M. Fiber-optic temperature sensing with ultrathin silicon etalons. Optics Letters. 13, 782-784 (1988).
- Zhang, S., et al. Temperature characteristics of silicon core optical fiber Fabry-Perot interferometer. Optics Letters. 40, 1362-1365 (2015).
- Cocorullo, G., Corte, F. G. D., Iodice, M., Rendina, I., Sarro, P. M. A temperature all-silicon micro-sensor based on the thermo-optic effect. IEEE Transactions on Electron Devices. 44, 766-774 (1997).
- Liu, G., Han, M. Fiber-optic gas pressure sensing with a laser-heated silicon-based Fabry-Perot interferometer. Optics Letters. 40, 2461-2464 (2015).
- Liu, G., Hou, W., Qiao, W., Han, M. Fast-response fiber-optic anemometer with temperature self-compensation. Optics Express. 23, 13562-13570 (2015).
- Liu, G., Sheng, Q., Hou, W., Han, M. Optical fiber vector flow sensor based on a silicon Fabry-Perot interferometer array. Optics Letters. 41, 4629-4632 (2016).
- Liu, G., Sheng, Q., Geraldo, R. L. P., Hou, W., Han, M. A fiber-optic water flow sensor based on laser-heated silicon Fabry-Perot cavity. Proceedings of SPIE. 9852, 98521B (2016).
- Reinke, M. L., Han, M., Liu, G., Gv Eden, G., Evenblij, R., Haverdings, M. Development of plasma bolometers using fiber-optic temperature sensors. Review of Scientific Instruments. 87, 11E708 (2016).
- Zhang, Y., et al. Fringe visibility enhanced extrinsic Fabry-Perot interferometer using a graded index fiber collimator. IEEE Photonics Journal. 2, 469-481 (2010).
- Hou, W. Ocean sensing and monitoring. , SPIE Press. (2013).
- Hou, W., Woods, S., Jarosz, E., Goode, W., Weidemann, A. Optical turbulence on underwater image degration in natural environments. Applied Optics. 51, 2678-2686 (2012).
- Hou, W., Jarosz, E., Woods, S., Goode, W., Weidemann, A. Impacts of underwater turbulence on acoustical and optical signals and their linkage. Optics Express. 21, 4367-4375 (2013).
- Nootz, G., Jarosz, E., Dalgleish, F. R., Hou, W. Quantification of optical turbulence in the ocean and its effects on beam propagation. Applied Optics. 55, 8813-8820 (2016).
- Nootz, G., Matt, S., Kanaev, A., Judd, K., Hou, W. Experimental and numerical study of underwater beam propagation in a Rayleigh-Bénard turbulence tank. Applied Optics. 56, 6065-6072 (2017).
- Matt, S., et al. A controlled laboratory environment to study EO signal degradation due to underwater turbulence. Proceedings of SPIE. 9459, 94590H (2015).
- Han, M., Liu, G., Hou, W. Fiber-optic temperature and flow sensor system and methods. U.S. Patent. , 9995628 B1 (2018).
- Kallenbach, A., et al. Impurity seeding for tokamak power exhaust: from present devices via ITER to DEMO. Plasma Physics and Controlled Fusion. 55, 124041 (2013).
- Alcator C-Mod. , Available from: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Alcator_C-Mod_Tokamak_Interior.jpg (2018).
- Meister, H., Willmeroth, M., Zhang, D., Gottwald, A., Krumrey, M., Scholze, F. Broad-band efficiency calibration of ITER bolometer prototypes using Pt absorbers on SiN membranes. Review of Scientific Instruments. 84, 123501 (2013).
- Peterson, B. J., et al. Development of imaging bolometers for magnetic fusion reactors. Review of Scientific Instruments. 79, 10E301 (2008).
- Liu, G., Sheng, Q., Dam, D., Hua, J., Hou, W., Han, M. Self-gauged fiber-optic micro-heater with an operation temperature above 1000 °C. Optics Letters. 42, 1412-1415 (2017).
- Liu, G., Hou, W., Han, M. Unambiguous peak recognition for a silicon Fabry-Perot interferometric temperature sensor. Journal of Lightwave Technology. 36, 1970-1978 (2018).
- Liu, G., Sheng, Q., Hou, W., Han, M., High-resolution, High-resolution, large dynamic range fiber-optic thermometer with cascaded Fabry-Perot cavities. Optics Letters. 41, 5134-5137 (2016).
