Luz desenredante

AJ Fleisher (derecha) y Tobias Herman (izquierda) con la configuración experimental. Un láser produce luz que se manipula sobre la mesa para crear dos peines de frecuencia óptica. La luz de estos peines se combina y se alimenta al cable de fibra óptica que contiene el sensor fotónico, que se encuentra dentro de un pozo con temperatura controlada. Finalmente, la señal luminosa es leída por detectores de RF.

Jennifer Lauren Lee/NIST

Los termómetros fotónicos, que miden la temperatura utilizando luz, tienen el potencial de revolucionar la medición de la temperatura al ser más rápidos, más pequeños y más robustos que los termómetros tradicionales. En esencia, los sensores funcionan pasando luz a una estructura que es sensible a la temperatura. La luz que sale del dispositivo brinda a los científicos información sobre la temperatura a la que estuvo expuesto el sensor.

Algún día, estos diminutos termómetros (y tipos adicionales de sensores fotónicos, que miden la tensión, la humedad, la aceleración y otras cantidades) podrían integrarse en estructuras como edificios o puentes a medida que se construyen. Al medir estas propiedades a medida que fragua el hormigón o el cemento, los sensores fotónicos podrían brindar a los ingenieros información valiosa sobre cómo se ha formado la estructura, lo que puede ayudarlos a proyectar cómo se comportará la estructura a largo plazo.

Pero un problema que los investigadores aún no han resuelto es cuál es la mejor manera de "interrogar" estos sensores fotónicos, es decir, poner luz y sacar luz. Los métodos tradicionales, que implican el uso de láseres para crear cada frecuencia de luz que ingresa al sensor, son difíciles, lentos, costosos y voluminosos.

Jennifer Lauren Lee/NIST

Ahora, investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han diseñado y probado una forma de interrogar a estos sensores entre 10 y mil veces más rápido que los métodos anteriores. Lo hacen con algo llamado sistema de peine de doble frecuencia, empleado en el pasado para tareas como medir trazas de gases de efecto invernadero, pero nunca antes utilizado con termómetros fotónicos.

El experimento de prueba de principio los acerca un paso más a la comercialización de esta tecnología.

"Me sorprendió lo bien que funcionó", dijo Zeeshan Ahmed del NIST.

Un beneficio adicional es que, a diferencia de los métodos tradicionales para hacer entrar y salir luz de los sensores, el sistema de doble peine podría admitir múltiples sensores fotónicos a la vez, reduciendo aún más el tamaño y el costo de un futuro sistema comercializado.

Para utilizar un termómetro fotónico, los investigadores colocaron luz de muchas longitudes de onda en un cable de fibra óptica. Esa luz interactúa con un sensor de algún tipo, en este caso un tipo de rejilla que consiste en una serie de marcas de grabado dentro de la fibra.

Sean Kelley/NIST

La forma en que la luz interactúa con la rejilla depende de la temperatura. Y la señal que los investigadores obtienen de la exposición a una temperatura es una disminución en la amplitud -esencialmente una "caída"- en la luz de una de las muchas longitudes de onda que ponen en la fibra. La longitud de onda que tiene la caída les indica qué temperatura está experimentando el sensor.

Pero, ¿cómo se introducen las diferentes longitudes de onda de la luz en la fibra?

Una forma tradicional es "barrer" el láser, creando una serie de longitudes de onda diferentes, una a la vez, y enviando cada una de ellas al sensor. Para mantener la precisión, los investigadores deben realizar un paso adicional al comparar cada longitud de onda con un estándar que verifique que la longitud de onda que están generando es la que pretendían.

"Esta es una forma lenta de hacer las cosas", dijo Ahmed. Es un poco como jugar Veinte Preguntas: le preguntas al sensor, ¿es esta longitud de onda la que tiene la caída? No. ¿Qué tal este? No.

La velocidad es particularmente un problema en aplicaciones donde las temperaturas cambian rápidamente; por ejemplo, cuando se miden cambios de temperatura de microsegundos (millonésimas de segundo) como resultado de una dosis de radiación en radioterapia, un tipo de tratamiento contra el cáncer que utiliza rayos de luz para calentar y matar las células cancerosas.

"Las formas tradicionales de realizar el escaneo no son ideales para medir cambios rápidos de temperatura", dijo Ahmed. "Podemos hacer que funcione, pero no es perfecto. Entonces, nuestro equipo y yo comenzamos a hablar en ese contexto de: ¿Cómo podemos hacer mediciones realmente rápidas pero con precisión?".

En el proyecto actual, el equipo logró este objetivo utilizando dispositivos llamados peines de frecuencia: luz láser que consta de una serie de diferentes longitudes de onda, cada una de ellas igualmente espaciada entre sí. (La longitud de onda y la frecuencia están relacionadas entre sí, como dos caras de la misma moneda. Cuanto más corta es la longitud de onda, mayor es la frecuencia, y viceversa). Cuando se ven estas longitudes de onda representadas en un gráfico, los peines de frecuencia se parecen un poco a un peines para el cabello, donde cada diente es una longitud de onda de luz discreta.

Sean Kelley/NIST

Los peines se pueden usar para todo tipo de cosas, desde construir relojes atómicos hasta actuar como referencia, o una especie de regla, para la luz que los científicos pueden usar para medir una señal luminosa que sale de su experimento.

En este trabajo, los investigadores utilizan un tipo de peine como fuente de luz, lo que denominan "interrogador", que introducen en el termómetro fotónico. La señal que los investigadores buscan es una disminución en la cantidad de luz de un conjunto de dientes correspondiente a una temperatura particular.

Pero es más complicado que eso, porque este sistema en realidad utiliza no uno sino dos peines de frecuencia.

El termómetro fotónico requiere luz infrarroja cercana con longitudes de onda entre aproximadamente 1520 nanómetros (billonésimas de metro) y 1560 nanómetros, un poco demasiado largo para que lo vean los ojos humanos. (Para contextualizar, la luz visible tiene longitudes de onda entre aproximadamente 400 y 800 nanómetros.) Cuando los dientes del peine están tan espaciados (sólo milésimas de billonésimas de metro de diferencia entre dientes adyacentes) es difícil ver la inclinación característica que indica a los investigadores el temperatura del sensor.

Para leer la señal más fácilmente, los investigadores crean un segundo peine que es casi una copia exacta del primero, casi pero no del todo. Luego, los investigadores combinan la luz de ambos peines y la envían al sensor.

Sean Kelley/NIST

Cuando se combina la luz de ambos peines, sus frecuencias ligeramente desplazadas crean un patrón de ritmo. Imagine que tiene dos diapasones que generan tonos que son casi idénticos pero ligeramente separados entre sí. Si los reproduce uno tras otro, es posible que le suenen igual. Pero si los tocas juntos, sus sonidos ligeramente diferentes interfieren entre sí. De hecho, puedes escuchar esta diferencia: suena como un ritmo, con el tono volviéndose más fuerte, más suave, más fuerte y más suave.

La diferencia entre los dientes de los dos peines está en el régimen de ondas de radiofrecuencia (RF), luz con longitudes de onda del orden de metros. Al utilizar dos peines ópticos, los investigadores crean efectivamente un único peine de RF. La diferencia de longitud de onda entre cada par de dientes en los peines ópticos es única, y esa diferencia crea cada diente único en el peine de RF (ver gráfico).

Sean Kelley/NIST

Sean Kelley/NIST

Es importante destacar que la "caída" en la longitud de onda en el régimen óptico, que les dice a los investigadores qué temperatura está experimentando el sensor, también resulta en una "caída" en la salida de RF. Eso hace que la caída en la amplitud de una longitud de onda particular sea más notable.

"Esa es la ventaja del enfoque de doble peine: comprime toda esa información óptica en el régimen de RF, donde es más fácil de leer", dijo AJ Fleisher del NIST.

Sean Kelley/NIST

Sean Kelley/NIST

Para probar qué tan bien funcionaba su nuevo esquema, el equipo del NIST tuvo que someter su sensor a una temperatura bien controlada. Entonces, mientras es interrogado por la luz láser de los dos peines de frecuencia óptica, el sensor fotónico se encuentra en un recipiente similar a un termo llamado celda de punto fijo.

Las células de punto fijo son trozos de material puro que se están derritiendo o congelando. Mientras experimentan ese cambio de fase, la temperatura en su interior es estable y bien conocida. Las celdas de punto fijo se utilizan para calcular la temperatura según el sistema internacional de unidades o SI, la escala internacional oficial de temperatura.

"Utilizamos una celda de punto fijo porque queríamos que la estabilidad de la temperatura no fuera el factor limitante en este experimento", dijo Tobias Herman del NIST. "De esta manera, si algo se movía o se movía o hacía ruido, podíamos descartar que el baño de temperatura fuera la fuente. Simplemente estaba ahí para ser un escenario en el que el interrogador pudiera brillar".

Sean Kelley/NIST

Con esta configuración, pudieron medir la temperatura con una precisión de diez milésimas de kelvin, lo que, según los investigadores, es suficiente para la mayoría de las aplicaciones industriales.

Jennifer Lauren Lee/NIST

"Fue bastante sorprendente", dijo Herman. "Usé una fibra similar cuando estábamos iniciando un programa de investigación diferente, y estaba barriendo el láser, un modo tradicional de interrogatorio, y la velocidad a la que obtenía datos era tremendamente lenta. En contraste, la velocidad de adquisición [recopilación de datos El tiempo] de este sistema fue sorprendente para mí. Pero para ser justos, soy un experto en temperatura, no un experto en peines. Este no es mi campo, así que estaba listo para el asombro."

En los próximos meses, los investigadores esperan probar la misma configuración con más de un sensor a la vez. Esa es la promesa del sistema fotónico de doble peine: poder tener múltiples termómetros, así como otros sensores fotónicos en serie, con la misma luz láser viajando a través de cada uno de ellos.

"Está muy cerca de lo que necesitamos para la comercialización", dijo Ahmed. "Ya cumplimos con muchas de las métricas que necesitamos, como la precisión y la velocidad de las mediciones. Este estudio muestra que se puede tomar una versión pequeña de un sistema de peine dual y obtener respuestas suficientemente buenas para el espacio de aplicación que necesita. "

--Reportado y escrito por Jennifer Lauren Lee

Artículo: AJ Fleisher, Z. Ahmed, T. Herman y MR Hartings. Termometría fotónica de peine de doble frecuencia electroóptica. Letras de Óptica. Publicado en línea el 14 de abril de 2023. DOI: 10.1364/OL.482838