Verso il nanocristallo REPO4

Jul 27, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12891 (2023) Citare questo articolo

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Le fibre ottiche potenziate con diffusione di Rayleigh e drogate con nanoparticelle, per applicazioni di rilevamento distribuito, sono una nuova tecnologia che offre vantaggi unici alla comunità delle fibre ottiche. Tuttavia, la tecnologia di fabbricazione esistente, basata su nanoparticelle alcalino-terrose coltivate in situ, è limitata a poche composizioni e mostra una grande dipendenza da molte condizioni sperimentali. Inoltre, ci sono ancora molte incertezze sull'effetto del processo di disegno sulle caratteristiche delle nanoparticelle e sulla sua influenza sull'aumento dello scattering e sulla perdita ottica indotta. In questo lavoro, facciamo luce su tutti questi problemi che impediscono il progresso nel campo e dimostriamo l'idoneità del drogaggio delle fibre ottiche con nanocristalli YPO4 per lo sviluppo di fibre ottiche potenziate con diffusione di Rayleigh sintonizzabile e drogate con nanoparticelle. Un approfondito studio microstrutturale 3D rivela che le loro caratteristiche sono strettamente legate al processo di trafilatura delle fibre, che consente l’ingegnerizzazione di dimensioni e forma su scala nanometrica. In particolare, i nanocristalli YPO4 preservano in larga misura le loro caratteristiche quando le fibre ottiche vengono stirate al di sotto di 1950 °C, il che consente di ottenere caratteristiche nanocristalline e prestazioni ottiche omogenee. Le fibre fabbricate mostrano una retrodiffusione migliorata regolabile nell'intervallo di 15,3–54,3 dB, rispetto a una fibra SMF-28, e perdite ottiche bidirezionali nell'intervallo 0,3–160,7 dB/m, rivelate dalle misurazioni della riflettometria di retrodiffusione ottica (OBR) . Ciò consente lunghezze di rilevamento da 0,3 m fino a oltre 58 m. Il presente lavoro suggerisce un brillante futuro dei nanocristalli YPO4 per il campo di rilevamento distribuito e apre una nuova porta verso l'incorporazione di altri nanocristalli di ortofosfato di terre rare (REPO4) con caratteristiche predefinite che supereranno i limiti dell'attuale terra alcalina coltivata in situ tecnologia basata.

Le fibre ottiche di silice drogata con nanoparticelle sono un campo emergente che sta attirando una crescente attenzione negli ultimi anni da parte della comunità scientifica. Ciò è giustificato dal fatto che questa tecnologia consente di mantenere i numerosi vantaggi offerti dalle fibre ottiche di silice insieme alle nuove funzionalità introdotte dalle nanoparticelle incorporate1,2,3. Tuttavia, fattori derivati ​​dalla presenza di tali centri di diffusione, come lo scattering di Rayleigh indotto, che è intimamente correlato alle loro caratteristiche, possono limitarne l'applicabilità. Infatti, le temperature estreme tipiche del processo di fabbricazione, generalmente superiori a 2000 °C, determinano fortemente le caratteristiche delle nanoparticelle, che possono essere modificate rispetto a quelle inizialmente incorporate4. Pertanto, è richiesto un elevato controllo delle diverse fasi coinvolte nel processo di fabbricazione per essere in grado di mantenere le funzionalità perseguite nelle fibre ottiche in silice ingegnerizzata.

Una delle tendenze attuali nelle fibre ottiche drogate con nanoparticelle è quella di migliorare la diffusione di Rayleigh, controllando al contempo l'attenuazione indotta della fibra ottica. Il rilevamento dello scattering Rayleigh intrinseco lungo la fibra viene utilizzato nei sensori distribuiti in fibra ottica (DOFS) come firma spaziale della fibra, che è sensibile a parametri quali deformazione, temperatura o indice di rifrazione, tra gli altri, con elevata risoluzione spaziale lungo l'intera fibra sottoposta al test5,6. In particolare, la riflettometria ottica retrodiffusa (OBR) è uno dei metodi più diffusi che sfrutta la riflettometria nel dominio della frequenza ottica (OFDR) per misurare lo scattering di Rayleigh nella fibra ottica mediante la luce retrodiffusa7. Il crescente interesse negli ultimi anni di questo metodo, adatto al rilevamento di lunghezze inferiori a 100 m, è spiegato dalla sua elevata sensibilità combinata con una risoluzione spaziale che può raggiungere la scala submillimetrica8,9.

Recentemente, è stato dimostrato che le fibre ottiche potenziate con scattering di Rayleigh e drogate con nanoparticelle sono molto promettenti per applicazioni di rilevamento distribuito poiché presentano numerosi vantaggi rispetto ad altri metodi considerati in letteratura8,10,11,12. A parte il fatto che è stato dimostrato un migliore compromesso tra potenziamento dello scattering e perdite ottiche13,14,15, queste fibre ottiche drogate con nanoparticelle possono essere manipolate come fibre standard, facilitando così la loro applicabilità. Questo approccio è stato dimostrato per la prima volta per le fibre drogate con nanoparticelle a base di MgO, co-drogate con erbio, che erano adatte per il rilevamento distribuito dell'indice di rifrazione, della deformazione, della temperatura e del rilevamento della forma 3D16. In questo tipo di fibra, le nanoparticelle a base di MgO vengono coltivate in situ nel nucleo delle preforme e delle fibre con una dimensione e un modello di distribuzione casuali. Tuttavia, la forte dipendenza del potenziamento dello scattering di Rayleigh e dell'attenuazione ottica dalla dimensione casuale delle nanoparticelle e dalla loro distribuzione casuale17, ostacola in una certa misura questo approccio in termini di riproducibilità e scalabilità. Inoltre, sebbene le nanoparticelle a base di MgO siano state ottimizzate rispettivamente fino a 48,9 dB e 14,3 dB/m per il potenziamento dello scattering di Rayleigh e l'attenuazione bidirezionale18, le lunghezze di rilevamento erano ancora limitate a meno di 3 m. In tutti questi lavori, è stato utilizzato l'approccio del drogaggio in soluzione per la preparazione della preforma, con concentrazioni della soluzione precursore di 0,1 M di MgCl2. Poiché non è stato osservato alcun fenomeno di separazione di fase per valori di concentrazione inferiori a 0,1 M, è stata generata una grande densità di nanoparticelle separate di fase, che di conseguenza ha aumentato l'attenuazione ottica delle fibre ottiche. Abbiamo superato questo problema13 e abbiamo dimostrato che la leggera modifica della matrice a base di silice, con una certa quantità di fosforo e germanio, consente la formazione di nanoparticelle a base di Ca fase separata a concentrazioni di CaCl2 nella soluzione di immersione pari a 0,005 M. Di conseguenza, le fibre ottiche progettate e drogate con nanoparticelle a base di calcio potenziate con diffusione Rayleigh erano adatte per lunghezze di rilevamento a lungo raggio, da 5 m a più di 200 m, con una retrodiffusione migliorata regolabile nell'intervallo 25,9–44,9 dB insieme a una diffusione bidirezionale relativamente bassa perdite ottiche, 0,1–8,7 dB/m. Tuttavia, in quel lavoro, le nanoparticelle a base di Ca sono state coltivate anche in situ, e il fenomeno della separazione di fase, e quindi le caratteristiche delle nanoparticelle, hanno mostrato una grande dipendenza da diverse condizioni di fabbricazione della preforma come la temperatura di vetrificazione, le concentrazioni della soluzione di immersione e la composizione del vetro a base di silice. Inoltre, abbiamo suggerito che durante il processo di disegno le nanoparticelle subissero una dissoluzione e rinucleazione in funzione della temperatura di disegno, che influenzava fortemente la loro morfologia e dimensione. Abbiamo anche riscontrato una grande dipendenza sperimentale per la crescita in situ di nanoparticelle a base di Sr e ricche di Ba15,19.