Neue optische Fasern können umliegende Materialien identifizieren
Ein EPFL-Forschungsteam hat eine optische Faser entwickelt, die erkennen kann, mit welchem Material oder mit welcher Flüssigkeit sie in Kontakt gekommen ist. Künftig könnte die Technik unter anderem zur Aufspürung von Wasserlecks eingesetzt werden.
Quelle: Alain Herzog/ 2018 EPFL
Desmond Chow, Co-Autor der Studie.
Quelle: Alain Herzog/ 2018 EPFL
Neue optische Fasern können umliegende Materialien identifizieren.
Quelle: Desmond Chow / 2018 EPFL
Visualisierung der Methode.
Quelle: Alain Herzog/ 2018 EPFL
Die Technik könnte künftig zur Aufspürung von Wasserlecks eingesetzt werden.
Bisher dienten optische Fasern als Sensoren, um Temperaturänderungen und Druck zu detektieren. Nützlich ist diese Technik insbesondere bei Strukturen wie Brücken oder Gaspipelines. Forscher der ETH Lausanne (EPFL) haben nun eine Methode entwickelt, mit der optische Fasern erkennen können, ob sie in Kontakt mit einer Flüssigkeit oder einem Feststoff sind. Dies wird möglich, indem eine Schallwelle mithilfe eines Lichtstrahls in der Faser erzeugt wird. Die Studie wurde von der Gruppe für Faseroptik (GFO) von Luc Thévenaz innerhalb der School of Engineering durchgeführt und in Nature Communications veröffentlicht.
Ein Sensor, der das Licht nicht stört
Die optische Faser aus Glas ist nicht breiter als eine Haarsträhne und überträgt Licht, das nach vier Parametern variiert: Intensität, Phase, Polarisation und Wellenlänge. Diese Parameter ändern sich, wenn die Faser gedehnt wird oder sich die Temperatur verändert. Das wiederum ermöglicht, dass die Faser wie ein Sensor Risse in Strukturen oder abnormale Temperaturen erkennen kann. Bisher war es nicht möglich zu bestimmen, was um die Faser herum geschieht, ohne dass Licht aus ihr entweichen konnte, was ihren Weg unterbricht.
Die an der EPFL entwickelte Methode nutzt nun eine in der Faser erzeugte Schallwelle. Es handelt sich hierbei um eine Hyperfrequenzwelle, die regelmässig von den Faserwänden abprallt. Dieses Echo variiert dann an verschiedenen Stellen, abhängig vom Material, mit dem die Welle in Kontakt kommt. Diese Echos hinterlassen dann einen Abdruck auf dem Licht, der abgelesen werden kann, wenn der Strahl die Faser verlässt. Damit wird es möglich, die Umgebung der Faser abzubilden. Und der Abdruck ist so schwach, dass er das Licht, das sich in der Faser ausbreitet, kaum stört. Die Methode könnte künftig verwendet werden, um zu erkennen, was um eine Faser herum passiert und gleichzeitig lichtbasierte Informationen zu erhalten.
Die Forscher haben ihre Fasern in Wasser und dann in Alkohol eingetaucht, bevor sie sie an die frische Luft gelassen haben. Jedes System war in der Lage, die Veränderung der Umgebung korrekt zu erkennen. «Unsere Technik wird es ermöglichen, Wasserleckagen sowie die Dichte und den Salzgehalt von Flüssigkeiten zu erkennen, die mit der Faser in Kontakt kommen. Es gibt viele mögliche Anwendungen», sagt Thévenaz.
Räumliche und zeitliche Erfassung
Diese Änderungen in der Umgebung sind dank einer einfachen zeitbasierten Methode möglich. «Jeder Wellenimpuls wird mit einer geringen Zeitverzögerung erzeugt. Und diese Verzögerung spiegelt sich in der Ankunft des Strahls wider. Wenn es Störungen auf dem Weg gab, können wir sehen, was es war und gleichzeitig ihren Standort bestimmen», erklärt Thévenaz. «Im Moment können wir Störungen innerhalb von etwa zehn Metern lokalisieren, aber wir haben die technischen Mittel, um die Genauigkeit auf einen Meter zu erhöhen.» Die Idee, eine Schallwelle in optischen Fasern zu verwenden, kam ursprünglich von den Partnerforschern des Teams an der Bar-Ilan Universität in Israel. Gemäss der ETH Lausanne werden gemeinsame Forschungsprojekte folgen.(pd/pb)
