Sensor de campo magnético rápido e sensível baseado em fibra de cristal fotônico com nanoburacos infiltrados por fluido magnético

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 9672 (2022) Citar este artigo

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Um sensor de campo magnético de tempo de resposta rápido (0,1 s) foi demonstrado utilizando uma fibra de cristal fotônico com orifícios de ar de tamanho nano infiltrados com fluido magnético à base de polietileno glicol. O efeito da concentração de nanopartículas magnéticas no fluido sobre o desempenho do sensor magneto-óptico e sua dependência sob cargas de campos magnéticos variáveis ​​foi investigado em detalhes. Em particular, a resposta do sensor foi modelada analiticamente com uma função de Langevin com um bom ajuste (R\(\ge \)0,996). Um ponto de detecção de limite tão baixo quanto 20 gauss foi registrado e uma faixa de detecção de 0 a 350 gauss foi demonstrada por meio de medições de transmissão óptica. Os resultados experimentais foram validados pela teoria usando um modelo de transmissão de luz guiada por simulações do método de elementos finitos dos principais modos guiados no sensor de fibra infiltrada. O esquema de interrogação simples, a alta sensibilidade e o tempo de resposta rápido tornam a sonda magnetofluídica híbrida de fibra óptica proposta uma plataforma promissora para novas aplicações de detecção bioquímica.

Com o advento da internet das coisas, sensores vestíveis e medicina personalizada, há uma demanda crescente por sensores compactos e confiáveis ​​para fornecer biossensores e monitoramento ambiental a usuários e seres artificialmente inteligentes. Entre vários tipos de sensores baseados em fibra óptica, as fibras especiais infiltradas com fluido magnético atraíram recentemente o escrutínio para o desenvolvimento de sensores de campo magnético altamente sensíveis e compactos. Os sensores de campo magnético têm sido amplamente utilizados em medições de corrente elétrica, na metalurgia, na indústria de energia, na detecção biomédica, na exploração de petróleo e gás, bem como na indústria aeronáutica1,2,3. Os métodos mais comuns contam com magneto-transistor, magneto-resistivo, fluxgate ou efeito Hall para detectar e medir campos magnéticos4,5,6. Esses sensores apresentam algumas desvantagens relacionadas ao seu consumo de energia, multiplexação limitada, custo, miniaturização e capacidade de monitoramento remoto. Além disso, as fontes de campo elétrico ao redor são propensas a introduzir ruído por meio de interferência eletromagnética nos circuitos eletrônicos7.

Comparados aos sensores convencionais, os sensores de campo magnético baseados em fibra óptica oferecem benefícios importantes promissores, como tamanho compacto, imunidade a interferência eletromagnética, monitoramento remoto e recursos de multiplexação por meio de modalidades de redes ópticas, alta confiabilidade e sensibilidade. Os sensores iniciais de campo magnético de fibra óptica relatados nas últimas quatro décadas empregaram materiais magnetostritivos em conjunto com a interferometria de Mach-Zehnder, enquanto outros esquemas exploram mudanças no estado de polarização da luz8,9,10,11.

Enquanto isso, com o crescimento da nanotecnologia e o advento de líquidos funcionalizados com nanopartículas, aplicações emergentes dos chamados fluidos magnéticos (MF) são estudadas na área de sensoriamento. Um MF é um líquido normalmente composto de nanopartículas magnéticas de domínio único (MNPs) revestidas com surfactante em suspensão dentro de um transportador líquido e com propriedades físico-químicas projetadas, incluindo suscetibilidade magnética, polidispersão e interações dipolares. Devido às suas propriedades magneto-ópticas personalizáveis, os MFs foram aplicados em uma variedade de dispositivos fotônicos, incluindo grades ópticas12, interruptores ópticos13, moduladores14, acopladores15 e sensores de campo magnético16.

A capacidade de exibir um índice de refração dependente do campo magnético (RI)17,18 que é atribuído à distribuição microestrutural de MNPs dentro do MF é um parâmetro chave usado em muitas aplicações de detecção. Assim, diferentes configurações de fibras ópticas em conjunto com MF têm sido bem estudadas como sensores de campo magnético. Eles podem ser usados ​​em três configurações diferentes, inicialmente na forma de filme fino MF na faceta final da seção transversal da fibra óptica, como o revestimento de uma fibra gravada/afilada (na seção intermediária) e, finalmente, como material de enchimento no interior a fibra. Para a primeira configuração, vários sensores baseados em Fabry-Pérot que incorporam MF dentro de uma seção de fibra óptica foram relatados19,20. Esta técnica sofre de sensibilidade à expansão térmica e um processo complicado para calcular e fabricar as dimensões corretas da cavidade. Esses problemas foram resolvidos nas fibras cônicas gravadas21,22, porém essas fibras afinadas são muito frágeis devido à sua baixa resistência mecânica. Finalmente, ao injetar o MF dentro da fibra, as características microestruturadas originais não são apenas preservadas, mas toda a fibra também oferece uma área de interação estendida que aumenta a sensibilidade23. Neste trabalho, apresentamos uma fibra de cristal fotônico especial (PCF) com orifícios de ar em escala nanométrica infiltrados com MF. Os desempenhos do sensor, incluindo pontos de sensibilidade, limite e saturação, tempos de resposta/recuperação foram estudados em detalhes para várias concentrações de MF. Este trabalho está organizado da seguinte forma: a seção "Processo de fabricação e princípio de operação" descreve o processo de infiltração do PCF e o princípio de detecção. Na seção "Resultados e discussão" são consideradas as investigações experimentais sobre o efeito das concentrações de MF nas respostas dos sensores. Além disso, foram feitas simulações numéricas em relação à potência de saída, que são seguidas por uma comparação entre os resultados experimentais e simulados. O sensor funcional proposto com características como tamanho compacto e tempo de resposta/recuperação rápido pode encontrar aplicações em sensores bioquímicos e industriais futuros.