Tiltedfiber Bragg grating sensors for refractive index measurements of liquid solutions

• Autorzy: Harasim Damian

Identyfikatory

DOI

10.35784/iapgos.2882

Warianty tytułu

PL

Światłowodowe skośne siatki Bragga jako czujniki w pomiarach współczynnika załamania cieczy

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This publication presents the basic assumptions about the light guiding mechanisms in tilted fiber Bragg gratings, transmission spectra of the fiber with such structures and their sensor properties related to the occurrence of the so-called cladding modes. The light in the form of modes coupled to the optical fiber cladding causes their spectral properties to depend on the difference in the refractive index of the surrounding medium and the fiber cladding. With the introduction of a small inclination angle of the diffraction fringes forming the Bragg grating, the cladding modes show sensitivity to changes in the refractive index of the environment of aqueous solutions, which makes the spectrum of their applications broad. This publication presents changes in the spectra of selected modes measured for solutions with a specific refractive index, shift sensitivity, and changes in the mode transmission coefficient and processing characteristics at a selected concentration range of solutions. Experimental results show that high order cladding modes respond both by shifting the central wavelength as well as by changing the transmission minimum. In selected ranges, these parameters show a linear characteristic as a function of changes in the concentration of the cane sugar aqueous solution. In the case of TFBG with a tilt angle of 8°, the sensitivity of wavelength changes is 0.012 nm/RIU for solutions with concentrations ranging from 0% to 10% by weight.

PL

Niniejsza publikacja prezentuje podstawowe założenia dotyczące mechanizmów prowadzenia światła w światłowodowych skośnych siatkach Bragga (ang. tilted fiber Bragg grating), widma transmisyjne światłowodu z wytworzonymi takimi strukturami oraz ich właściwości czujnikowe związane z występowaniem tzw. modów płaszczowych. Prowadzenie światła w postaci modów sprzęganych do płaszcza światłowodu sprawia, że ich właściwości spektralne zależne są od różnicy współczynników załamania ośrodka otaczającego oraz płaszcza włókna. Przy wprowadzeniu niewielkiego kąta pochylenia prążków dyfrakcyjnych tworzących siatkę Bragga, mody płaszczowe wykazują wrażliwość na zmiany współczynnika załamania otoczenia roztworów wodnych, przez co spektrum ich zastosowań jest szerokie. W niniejszej publikacji przedstawiono zmiany widm wybranych modów mierzonych dla roztworów o określonym współczynniku załamania, czułości przesunięcia oraz zmiany współczynnika transmisji modu oraz charakterystyki przetwarzania przy wybranym zakresie stężenia roztworów. Wyniki eksperymentalne wskazują, że mody płaszczowe wysokich rzędów reagują zarówno przesunięciem centralnej długości fali jak również zmianą minimum transmisji. Parametry te w wybranych zakresach wykazują charakterystykę liniową w funkcji zmian stężenia roztworu wodnego cukru trzcinowego. W przypadku TFBG o kącie pochylenia 8°, czułość zmian długości fali wynosi 0,012 nm/RIU dla roztworów o stężeniach od 0% do 10% stężenia wagowego.

Słowa kluczowe

EN

fiber Bragg grating; tilted fiber Bragg grating; refractive index measurement; surrounding refractive index

PL

światłowodowe siatki Bragga; skośna siatka Bragga; pomiar współczynnika załamania; współczynnik załamania ośrodka

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej
• Czasopismo: Informatyka, Automatyka, Pomiary w Gospodarce i Ochronie Środowiska
• Rocznik: 2022
• Tom: T. 12, nr 1
• Strony: 24--27
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Harasim Damian

• Lublin University of Technology, Faculty of Electrical Engineering and Computer Science, Department of Electronics and Information Technology, Lublin, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-9859-5879

Bibliografia

• [1] Bakaic M., Hanna M., Hnatovsky C., Grobnic D., Mihailov S., Zeisler S., Hoehr C.: Fiber-Optic Bragg Gratings for Temperature and Pressure Measurements in Isotope Production Targets for Nuclear Medicine. Applied Sciences 10, 2020, 4610 [http://doi.org/10.3390/app10134610].
• [2] Caucheteur C., Mégret P.: Demodulation technique for weakly tilted fiber Bragg grating refractometer. IEEE Photonics Technology Letters 17(12), 2005, 27032705 [http://doi.org/10.1109/LPT.2005.859411].
• [3] Chettouh S., El-Akrmi A., Triki H., Hamaizi Y.: Spectral properties of nonlinearly chirped fiber Bragg gratings for optical communications. Optik 147, 2017, 163–169 [http://doi.org/10.1016/j.ijleo.2017.08.08].
• [4] Erdogan T.: Fiber grating spectra. Journal of Lightwave Technology 15, 1997, 12771294 [http://doi.org/10.1109/50.618322].
• [5] Fazzi L., Groves R. M.: Demodulation of a tilted fibre Bragg grating transmission signal using α-shape modified Delaunay triangulation. Measurement 166, 2020, 108197
• [http://doi.org/10.1016/j.measurement.2020.108197].
• [6] Gong J. M., Chan C. C., Jin W., MacAlpine J. M. K., Zhang M., Liao Y. B.: Enchancement of wavelength detection accuracy in fiber Bragg grating sensors by using spectrum correlation technique. Optics Communications 212, 2002, 29–33 [http://doi.org/10.1109/OFS.2002.1000525].
• [7] Guo T., Liu F., Guan B., Albert J.: Tilted fiber grating mechanical and biochemical sensors. Optics & Laser Technology 78B, 2016, 1933 [http://doi.org/10.1016/j.optlastec.2015.10.007].
• [8] Guo T., Tam H. Y., Albert J.: Chirped and tilted fiber Bragg grating edge filter for in-fiber sensor interrogation. Optical Society of America Science and Innovations 2011 [http://doi.org/10.1364/CLEO_SI.2011.CThL3].
• [9] Harasim D., Yussupova G.: mprovement of FBG peak wavelength demodulation using digital signal processing algorithms. Proc. SPIE 966212, 2015, 270–276 [http://doi.org/10.1117/12.2205547].
• [10] Liu F., Guo T., Liu J., Zhu X., Liu Y., Guan B., Albert J.: High-sensitive and temperature-self-calibrated tilted fiber grating biological sensing probe. Chinese Sciences Bulletin 58, 2013, 26072611 [http://doi.org/10.1007/s11434-013-5724-3].
• [11] Lu Y., Shen C., Chen D., Chu J., Wang Q., Dong X.: Highly sensitive twist sensor based on tilted fiber Bragg grating of polarization-dependent properties. Optical Fiber Technology 20(5), 2014, 491494 [http://doi.org/10.1016/j.yofte.2014.05.011].
• [12] Mohammed N. A., Ali T. A., Aly M. H.: Evaluation and performance enhancement for accurate FBG temperature sensor measurement with different apodization profiles in single and quasi-distributed DWDM systems. Optics and Lasers in Engineering 55, 2014, 22–34 [http://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2013.10.013].
• [13] Ren L., Jia Z., Li H., Song G.: Design and experimental study on FBG hoop-strain sensor in pipeline monitoring. Optical Fiber Technology 20, 2014, 15–23 [http://doi.org/10.1016/j.yofte.2013.11.004].
• [14] Wydra M., Kisała P., Harasim D., Kacejko P.: Overhead Transmission Line Sag Estimation Using a Simple Optomechanical System with Chirped Fiber Bragg Gratings. Part 1: Preliminary Measurements. Sensors 18(1), 2018, 309 [http://doi.org/ 10.3390/s18010309].

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).