Luce districante

AJ Fleisher (a destra) e Tobias Herman (a sinistra) con l'apparato sperimentale. Un laser produce luce che viene manipolata sul tavolo per creare due pettini di frequenza ottica. La luce proveniente da questi pettini viene combinata e immessa nel cavo in fibra ottica che contiene il sensore fotonico, che si trova all'interno di un pozzo a temperatura controllata. Infine, il segnale luminoso viene letto dai rilevatori RF.

Jennifer Lauren Lee/NIST

I termometri fotonici, che misurano la temperatura utilizzando la luce, hanno il potenziale per rivoluzionare la misurazione della temperatura essendo più veloci, più piccoli e più robusti dei termometri tradizionali. In sostanza, i sensori funzionano facendo passare la luce in una struttura sensibile alla temperatura. La luce che esce dal dispositivo fornisce agli scienziati informazioni sulla temperatura alla quale è stato esposto il sensore.

Un giorno, questi minuscoli termometri – e altri tipi di sensori fotonici, che misurano deformazione, umidità, accelerazione e altre quantità – potrebbero essere incorporati in strutture come edifici o ponti man mano che vengono costruiti. Misurando queste proprietà mentre il calcestruzzo o il cemento si solidificano, i sensori fotonici potrebbero fornire agli ingegneri informazioni preziose su come si è formata la struttura, il che può aiutarli a prevedere come si comporterà la struttura a lungo termine.

Ma un problema che i ricercatori non hanno ancora risolto è il modo migliore per “interrogare” questi sensori fotonici, ovvero inserire e far uscire la luce. I metodi tradizionali, che prevedono l’uso dei laser per creare ogni frequenza di luce che entra nel sensore, sono difficili, lenti, costosi e ingombranti.

Jennifer Lauren Lee/NIST

Ora, i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno progettato e testato un modo per interrogare questi sensori da circa 10 a mille volte più velocemente rispetto ai metodi precedenti. Lo fanno con qualcosa chiamato sistema a pettine a doppia frequenza, impiegato in passato per compiti come la misurazione di tracce di gas serra, ma mai utilizzato prima con i termometri fotonici.

L’esperimento di prova di principio li porta un passo avanti verso la commercializzazione di questa tecnologia.

"Sono rimasto sorpreso da come ha funzionato bene", ha detto Zeeshan Ahmed del NIST.

Un ulteriore vantaggio è che, a differenza dei metodi tradizionali per far entrare e uscire la luce dai sensori, il sistema a doppio pettine potrebbe supportare più sensori fotonici contemporaneamente, riducendo ulteriormente le dimensioni e i costi di un futuro sistema commercializzato.

Per utilizzare un termometro fotonico, i ricercatori inseriscono luce di molte lunghezze d’onda in un cavo in fibra ottica. Quella luce interagisce con un sensore di qualche tipo, in questo caso un tipo di reticolo costituito da una serie di segni di incisione all'interno della fibra.

Sean Kelley/NIST

Il modo in cui la luce interagisce con il reticolo dipende dalla temperatura. E il segnale che i ricercatori ottengono dall'esposizione a una temperatura è una diminuzione dell'ampiezza - essenzialmente un "calo" - della luce proveniente da una delle tante lunghezze d'onda che inseriscono nella fibra. La lunghezza d'onda con il calo indica quale temperatura sta riscontrando il sensore.

Ma come si fanno a far entrare le diverse lunghezze d'onda della luce nella fibra?

Un modo tradizionale è "spazzare" il laser, creando una serie di lunghezze d'onda diverse una alla volta e inviandole ciascuna al sensore. Per mantenere la precisione, i ricercatori devono eseguire un ulteriore passaggio per confrontare ciascuna lunghezza d'onda con uno standard che verifichi che la lunghezza d'onda che stanno generando sia quella prevista.

"Questo è un modo lento di fare le cose", ha detto Ahmed. È un po' come giocare a Venti domande: chiedi al sensore, è questa la lunghezza d'onda quella con l'avvallamento? No. Che ne dici di questo? NO.

La velocità è particolarmente un problema per le applicazioni in cui le temperature cambiano rapidamente, ad esempio quando si misurano variazioni di temperatura nell'ordine dei microsecondi (milionesimi di secondo) a seguito di una dose di radiazioni nella radioterapia, un tipo di trattamento contro il cancro che utilizza fasci di luce per riscaldare e uccidere le cellule tumorali.