Международная команда учёных под руководством приглашённого профессора кафедры полупроводниковой электроники и физики полупроводников НИТУ «МИСиС» Александра Кирьянова, в которую также вошли специалисты Центра оптических исследований (г. Леон, Мексика) и Исследовательского института керамики и стекла (г. Калькутта, Индия), разработала технологию производства оптоволокна, пригодного для создания высокоточных автономных датчиков. Такие датчики нужны повсюду — в строительстве и геотехнике, аэрокосмической и нефтегазовой промышленности, сильноточной энергетике, включая атомную.
Новое оптоволокно обладает уникальными свойствами благодаря легированию редкоземельными и переходными металлами — эрбием, гольмием, висмутом, а также наночастицами серебра и кремния. Состав и соотношение лигандов (химических добавок) в кварцевой основе волокна описан в статье, опубликованной в журнале Laser Physics Letters.
Чем же новое волокно отличается от аналогов? Получаемые волокна могут отслеживать изменения температуры, давления, химического состава и радиационного фона окружения, сохраняя при этом устойчивость к агрессивным средам и электромагнитным возмущениям. Появляется возможность построить датчики, которые будут регистрировать радиационное излучение различного типа в широком диапазоне доз, ультравысокие (до 1700°С) температуры, химический состав окружающей среды и электромагнитные поля вокруг.
Таким образом, в руках исследователей инструмент для высокоточного мониторинга состояния крупномасштабных объектов (трубопроводы, скважины, АЭС, мосты) по ряду параметров. Оптоволокно может быть произвольной длины, это даёт возможность отслеживать состояние больших, до сотен метров, объектов. Это может потребоваться не только на Земле, но и в космосе — датчики на основе новых волокон могут измерять состояние радиационного фона в космическом аппарате, сообщать о дефектах его поверхности.
Руководитель проекта Александр Кирьянов рассказал о сути разработки:
«Оптоволоконный датчик — это или небольшое по размерам («точечное») устройство (которое, в свою очередь, может быть элементом многокомпонентных детектирующих сетей, или интеррогаторов), или «пространственно-распределённый контур», способный собирать информацию о детектируемых параметрах на больших расстояниях — в силу свойства волокна как принципиально «длинной» среды. В первом случае, чувствительными элементами датчиков могут быть записанные в волокне Брэгговские решетки (спектрально-селективные фильтры). Их параметры, т.е. спектры отражения и пропускания, сильно зависят от состояния окружающей среды (давления, температуры, деформаций и т.д.) и, соответственно, служат основой детектирования. В формате «длинного датчика» чувствительным элементом является вся длина используемого волокна — используемого либо в «пассивном» режиме (и тогда детектируемыми параметрами являются, например, изменения в спектрах поглощения и пропускания легированного оптоволокна), либо в «активном», когда оно является компонентом лазера (и тогда детектируемыми параметрами являются, например, релаксационная частота, оптический спектр или режим генерации лазера).
Наши исследования в рамках данного проекта нацелены на создание, комплексное исследование и применение волоконных датчиков второго типа с использованием специально разрабатываемых легированных волокон, полученных, в том числе, методом нано-инжиниринга. Такие волокна могут стать надёжным решением при работе в агрессивных средах, когда прибор на их основе находится в экстремальных условиях — к примеру, при термо-мониторинге нефтяных скважин или дозиметрии на АЭС».
