REPO4ナノクリスタルに向けて

Jul 27, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 12891 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

分散センシング用途向けのレイリー散乱強化ナノ粒子ドープ光ファイバーは、光ファイバーコミュニティに独自の利点を提供する新しいテクノロジーです。 しかし、その場で成長させたアルカリ土類ナノ粒子に基づく既存の製造技術は、少数の組成に制限されており、多くの実験条件に大きく依存します。 さらに、延伸プロセスがナノ粒子の特性に及ぼす影響、およびその散乱増強および誘発される光損失への影響については、依然としていくつかの不確実性が存在する。 この研究では、この分野の進歩を妨げるこれらすべての問題に光を当て、調整可能なレイリー散乱強化ナノ粒子ドープ光ファイバーの開発に YPO4 ナノ結晶をドーピングした光ファイバーが適切であることを実証します。 徹底的な 3D 微細構造研究により、その特徴が繊維の延伸プロセスと密接に関連しており、これによりナノスケールでのサイズと形状のエンジニアリングが可能になることが明らかになりました。 特に、YPO4 ナノ結晶は、光ファイバーが 1950 °C 以下で線引きされた場合でも、その特性を大幅に維持するため、均質なナノ結晶の特性と光学性能を得ることができます。 製造されたファイバーは、SMF-28 ファイバーに対して 15.3 ～ 54.3 dB の範囲の調整可能な後方散乱を示し、光学後方散乱反射率 (OBR) 測定によって明らかになった 0.3 ～ 160.7 dB/m の範囲の双方向光損失を示します。 。 これにより、0.3 m から 58 m 以上までの検出長が可能になります。 今回の研究は、分散センシング分野における YPO4 ナノ結晶の明るい未来を示唆しており、現在の原位置成長アルカリ土類の限界を克服する、あらかじめ定義された特性を備えた他の希土類オルトリン酸塩 (REPO4) ナノ結晶の組み込みに向けた新たな扉を開きます。ベースのテクノロジー。

ナノ粒子ドープシリカ光ファイバーは、近年科学界でますます注目を集めている新興分野です。 これは、この技術により、組み込まれたナノ粒子によって導入された新しい機能とともに、シリカ光ファイバーが提供するいくつかの利点を維持できるという事実によって正当化されます1、2、3。 ただし、それらの散乱中心の存在に由来する要因 (誘起レイリー散乱など) は、散乱中心の特徴と密接に関係しているため、その適用可能性が制限される可能性があります。 実際のところ、製造プロセスの典型的な極端な温度、一般に 2000 °C を超えるナノ粒子の特性は、最初に組み込まれたナノ粒子に関して修正することができるナノ粒子の特性を大きく決定します4。 したがって、エンジニアリングシリカ光ファイバーで追求される機能を維持するには、製造プロセスに含まれるさまざまな段階を高度に制御する必要があります。

ナノ粒子ドープ光ファイバーの現在の傾向の 1 つは、誘導される光ファイバーの減衰を制御しながら、レイリー散乱を強化することです。 ファイバに沿った固有レイリー散乱の検出は、ファイバの空間シグネチャとして分散型光ファイバ センサ (DOFS) で使用され、特にひずみ、温度、屈折率などのパラメータに敏感で、ファイバに沿った高い空間分解能を備えています。テスト対象のファイバー全体5、6。 特に、光学後方散乱反射測定法 (OBR) は、光学周波数領域反射測定法 (OFDR) を利用して後方散乱光によって光ファイバー内のレイリー散乱を測定する最も一般的な方法の 1 つです7。 100 m 未満の長さの感知に適したこの方法に対する近年の関心の高まりは、その高感度とサブミリメートルスケールに達する空間分解能の組み合わせによって説明されます8,9。

最近、レイリー散乱増強ナノ粒子ドープ光ファイバーは、文献で検討されている他の方法と比べていくつかの利点があるため、分散センシング用途に非常に有望であることが実証されました8、10、11、12。 散乱増強と光損失の間のより良いトレードオフが実証されているという事実とは別に、これらのナノ粒子ドープ光ファイバーは標準ファイバーとして操作できるため、その適用が容易になります。 このアプローチは、屈折率、ひずみ、温度、および 3D 形状センシングの分散センシングに適した、エルビウムを共ドープした MgO ベースのナノ粒子ドープ ファイバーに対して初めて実証されました 16。 このタイプのファイバーでは、MgO ベースのナノ粒子がプリフォームとファイバーのコア内でランダムなサイズとランダムな分布パターンでその場で成長します。 ただし、レイリー散乱の増強と光減衰はナノ粒子のランダムなサイズとそのランダムな分布に強く依存するため 17、再現性とスケーラビリティの点でこのアプローチはある程度妨げられます。 さらに、MgO ベースのナノ粒子は、レイリー散乱増強と双方向減衰についてそれぞれ最大 48.9 dB と 14.3 dB/m まで最適化されましたが 18、感知長は依然として 3 m 未満に制限されていました。 これらすべての研究において、プリフォームの調製には溶液ドーピング手法が使用され、前駆体溶液の濃度は 0.1 M の MgCl2 でした。 0.1 M より低い濃度値では相分離現象が観察されなかったため、高密度の相分離ナノ粒子が生成され、その結果、光ファイバーの光減衰が増加しました。 我々はその問題13を克服し、一定量のリンとゲルマニウムによるシリカベースのマトリックスのわずかな修飾により、0.005 Mという低いCaCl2の浸漬溶液濃度で相分離したCaベースのナノ粒子の形成が可能になることを示しました。設計されたレイリー散乱増強型 Ca ベースのナノ粒子ドープ光ファイバーは、25.9 ～ 44.9 dB の範囲で調整可能な増強後方散乱と比較的低い双方向性を備え、5 m から 200 m 以上の長距離検出長に適しています。光損失、0.1 ～ 8.7 dB/m。 それにもかかわらず、その研究では、Ca ベースのナノ粒子もその場で成長し、相分離現象、したがってナノ粒子の特徴は、ガラス化温度、浸漬溶液の濃度、組成などのいくつかのプリフォーム製造条件に大きく依存することが示されました。シリカベースのガラス。 さらに、我々は、延伸プロセス中に、ナノ粒子が延伸温度の関数として溶解と再核形成を受け、それがナノ粒子の形態とサイズに大きな影響を与えることを示唆しました。 また、Sr ベースおよび Ba リッチのナノ粒子の in situ 成長には大きな実験依存性があることも発見しました 15,19。