Vers le nanocristal REPO4

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12891 (2023) Citer cet article

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Les fibres optiques dopées aux nanoparticules améliorées par diffusion Rayleigh, destinées aux applications de détection distribuée, sont une nouvelle technologie qui offre des avantages uniques à la communauté des fibres optiques. Cependant, la technologie de fabrication existante, basée sur des nanoparticules alcalino-terreuses cultivées in situ, est limitée à quelques compositions et dépend fortement de nombreuses conditions expérimentales. De plus, il existe encore plusieurs incertitudes quant à l'effet du processus d'étirage sur les caractéristiques des nanoparticules et son influence sur l'amélioration de la diffusion et la perte optique induite. Dans ce travail, nous mettons en lumière tous ces problèmes qui empêchent les progrès dans le domaine et démontrons l’adéquation du dopage des fibres optiques avec des nanocristaux YPO4 pour développer des fibres optiques dopées aux nanoparticules améliorées par diffusion Rayleigh accordable. Une étude microstructurale 3D exhaustive révèle que leurs caractéristiques sont étroitement liées au processus de fibrage, qui permet l'ingénierie de la taille et de la forme à l'échelle nanométrique. En particulier, les nanocristaux YPO4 préservent dans une large mesure leurs caractéristiques lorsque les fibres optiques sont étirées en dessous de 1950 °C, ce qui permet d'obtenir des caractéristiques et des performances optiques homogènes des nanocristaux. Les fibres fabriquées présentent une rétrodiffusion améliorée réglable dans la plage de 15,3 à 54,3 dB, par rapport à une fibre SMF-28, et des pertes optiques bidirectionnelles dans la plage de 0,3 à 160,7 dB/m, révélées par les mesures de réflectométrie optique à rétrodiffusion (OBR). . Cela permet de détecter des longueurs de 0,3 m à plus de 58 m. Le présent travail suggère un avenir brillant pour les nanocristaux YPO4 pour le champ de détection distribué et ouvre une nouvelle porte vers l'incorporation d'autres nanocristaux d'orthophosphate de terres rares (REPO4) avec des caractéristiques prédéfinies qui surmonteront les limites des terres alcalines cultivées in situ actuelles. technologie basée sur les technologies.

Les fibres optiques en silice dopées aux nanoparticules constituent un domaine émergent qui suscite de plus en plus d’attention ces dernières années au sein de la communauté scientifique. Ceci est justifié par le fait que cette technologie permet de conserver les nombreux avantages qu'offrent les fibres optiques en silice ainsi que les nouvelles fonctionnalités introduites par les nanoparticules incorporées1,2,3. Cependant, des facteurs dérivés de la présence de ces centres de diffusion, tels que la diffusion Rayleigh induite, qui est intimement liée à leurs caractéristiques, peuvent limiter leur applicabilité. En effet, les températures extrêmes typiques du processus de fabrication, généralement supérieures à 2000 °C, déterminent fortement les caractéristiques des nanoparticules, qui peuvent être modifiées par rapport à celles initialement incorporées4. Ainsi, un contrôle élevé des différentes étapes impliquées dans le processus de fabrication est nécessaire pour pouvoir maintenir les fonctionnalités recherchées dans les fibres optiques en silice ouvragée.

L’une des tendances actuelles dans le domaine des fibres optiques dopées aux nanoparticules est d’améliorer la diffusion Rayleigh, tout en contrôlant l’atténuation induite par la fibre optique. La détection de la diffusion Rayleigh intrinsèque le long de la fibre est utilisée dans les capteurs à fibre optique distribuée (DOFS) comme signature spatiale de la fibre, qui est sensible à des paramètres tels que la déformation, la température ou l'indice de réfraction, entre autres, avec une résolution spatiale élevée le long de la fibre. la totalité de la fibre testée5,6. En particulier, la réflectométrie optique rétrodiffusée (OBR) est l'une des méthodes les plus populaires qui exploite la réflectométrie optique dans le domaine des fréquences (OFDR) pour mesurer la diffusion Rayleigh dans la fibre optique au moyen de la lumière rétrodiffusée7. L’intérêt croissant de cette méthode ces dernières années, adaptée à la détection de longueurs inférieures à 100 m, s’explique par sa haute sensibilité combinée à une résolution spatiale pouvant atteindre l’échelle submillimétrique8,9.

Récemment, il a été démontré que les fibres optiques dopées aux nanoparticules améliorées par la diffusion Rayleigh sont très prometteuses pour les applications de détection distribuée car elles présentent plusieurs avantages par rapport aux autres méthodes envisagées dans la littérature8,10,11,12. Outre le fait qu'un meilleur compromis entre l'amélioration de la diffusion et les pertes optiques a été démontré13,14,15, ces fibres optiques dopées aux nanoparticules peuvent être manipulées comme des fibres standards, facilitant ainsi leur applicabilité. Cette approche a été démontrée pour la première fois pour les fibres dopées à base de nanoparticules à base de MgO, co-dopées à l'erbium, qui convenaient à la détection distribuée de l'indice de réfraction, de la déformation, de la température et de la forme 3D16. Dans ce type de fibre, des nanoparticules à base de MgO sont cultivées in situ au cœur de préformes et de fibres avec une taille et un motif de répartition aléatoires. Cependant, la forte dépendance de l’amélioration de la diffusion Rayleigh et de l’atténuation optique à la taille aléatoire des nanoparticules et à leur distribution aléatoire17 gêne dans une certaine mesure cette approche en termes de reproductibilité et d’évolutivité. De plus, bien que les nanoparticules à base de MgO aient été optimisées jusqu'à 48,9 dB et 14,3 dB/m, respectivement, pour l'amélioration de la diffusion Rayleigh et l'atténuation bidirectionnelle18, les longueurs de détection étaient toujours limitées à moins de 3 m. Dans tous ces travaux, une approche de dopage en solution a été utilisée pour la préparation des préformes, avec des concentrations de solution précurseur de 0,1 M de MgCl2. Aucun phénomène de séparation de phases n’ayant été observé pour des valeurs de concentration inférieures à 0,1 M, une grande densité de nanoparticules séparées en phases a été générée, ce qui a par conséquent augmenté l’atténuation optique des fibres optiques. Nous avons surmonté ce problème13 et montré que la légère modification de la matrice à base de silice, avec une certaine quantité de phosphore et de germanium, permet la formation de nanoparticules à base de Ca séparées en phases à des concentrations de solution de trempage de CaCl2 aussi faibles que 0,005 M. Par conséquent, les fibres optiques dopées aux nanoparticules à base de Ca améliorées par diffusion Rayleigh étaient adaptées aux longueurs de détection à longue portée, de 5 m à plus de 200 m, avec une rétrodiffusion améliorée réglable dans la plage de 25,9 à 44,9 dB ainsi qu'un bidirectionnel relativement faible pertes optiques, 0,1 à 8,7 dB/m. Néanmoins, dans ce travail, les nanoparticules à base de Ca ont également été cultivées in situ, et le phénomène de séparation de phases, et donc les caractéristiques des nanoparticules, ont montré une grande dépendance à plusieurs conditions de fabrication des préformes telles que la température de vitrification, les concentrations de la solution de trempage et la composition du matériau. verre à base de silice. De plus, nous avons suggéré que pendant le processus d’étirage, les nanoparticules subissaient une dissolution et une renucléation en fonction de la température d’étirage, ce qui affectait fortement leur morphologie et leur taille. Nous avons également constaté une grande dépendance expérimentale à l’égard de la croissance in situ de nanoparticules à base de Sr et riches en Ba15,19.