REPO4 나노결정을 향하여

Jul 27, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12891(2023) 이 기사 인용

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분산 감지 응용 분야를 위한 레일리 산란 강화 나노입자 도핑 광섬유는 광섬유 커뮤니티에 고유한 이점을 제공하는 새로운 기술입니다. 그러나 현장에서 성장한 알칼리토류 나노입자를 기반으로 하는 기존 제조 기술은 소수의 구성으로 제한되며 많은 실험 조건에 크게 의존합니다. 더욱이, 드로잉 공정이 나노입자 특성에 미치는 영향과 산란 강화 및 유도된 광학 손실에 대한 영향에 대해서는 여전히 몇 가지 불확실성이 있습니다. 이 연구에서 우리는 현장의 발전을 방해하는 모든 문제를 조명하고 조정 가능한 레일리 산란 강화 나노입자 도핑 광섬유를 개발하기 위해 YPO4 나노결정으로 광섬유 도핑의 적합성을 입증했습니다. 철저한 3D 미세 구조 연구에 따르면 그 특징은 섬유 드로잉 공정과 밀접하게 연결되어 있어 나노 규모의 크기와 모양 엔지니어링이 가능합니다. 특히, YPO4 나노결정은 광섬유를 1950°C 이하에서 인발할 때 그 특성을 크게 보존하여 균질한 나노결정 특성과 광학 성능을 얻을 수 있다. 가공된 섬유는 SMF-28 섬유와 관련하여 15.3~54.3dB 범위의 조정 가능한 향상된 후방 산란과 0.3~160.7dB/m 범위의 양방향 광학 손실을 나타내며 OBR(광학 후방 산란 반사 측정법) 측정으로 나타납니다. . 이를 통해 감지 길이는 0.3m에서 최대 58m까지 가능합니다. 본 연구는 분산 감지 필드를 위한 YPO4 나노 결정의 밝은 미래를 제시하고 현재 현장 성장 알칼리 토류의 한계를 극복할 사전 정의된 특성을 가진 다른 희토류 정인산염(REPO4) 나노 결정의 통합을 향한 새로운 문을 열었습니다. 기반의 기술.

나노입자 도핑된 실리카 광섬유는 최근 과학계에서 점점 더 많은 주목을 받고 있는 신흥 분야입니다. 이는 이 기술이 나노입자 통합에 의해 도입된 새로운 기능과 함께 실리카 광섬유가 제공하는 여러 가지 장점을 유지할 수 있다는 사실에 의해 정당화됩니다. 그러나 이러한 산란 중심의 존재에서 파생된 요소(예: 특징과 밀접하게 관련된 Rayleigh 산란 유도)는 적용 가능성을 제한할 수 있습니다. 사실, 일반적으로 2000°C를 넘는 제조 공정의 극단적인 온도는 나노입자의 특성을 강하게 결정하며, 이는 초기에 통합된 입자와 관련하여 수정될 수 있습니다4. 따라서 엔지니어링 실리카 광섬유에서 추구하는 기능을 유지할 수 있으려면 제조 공정과 관련된 다양한 단계에 대한 높은 제어가 필요합니다.

나노입자 도핑된 광섬유의 현재 추세 중 하나는 유도된 광섬유 감쇠를 제어하면서 레일리 산란을 향상시키는 것입니다. 섬유를 따라 고유한 레일리 산란을 감지하는 것은 분산 광섬유 센서(DOFS)에서 섬유의 공간 서명으로 사용됩니다. 이는 변형률, 온도 또는 굴절률과 같은 매개변수에 민감하며 높은 공간 분해능을 갖습니다. 테스트 중인 전체 섬유5,6. 특히, OBR(광학 후방 산란 반사 측정법)은 OFDR(광 주파수 영역 반사 측정법)을 활용하여 후방 산란광을 통해 광섬유의 레일리 산란을 측정하는 가장 널리 사용되는 방법 중 하나입니다. 지난 몇 년 동안 100m 미만의 길이를 감지하는 데 적합한 이 방법에 대한 관심이 높아진 것은 밀리미터 미만 규모에 도달할 수 있는 공간 분해능과 결합된 높은 감도로 설명됩니다8,9.

최근에는 레일리 산란 강화 나노입자 도핑 광섬유가 문헌8,10,11,12에서 고려된 다른 방법에 비해 몇 가지 장점을 제시하기 때문에 분산 감지 응용 분야에 매우 유망하다는 것이 입증되었습니다. 산란 향상과 광학 손실 사이의 더 나은 균형이 입증되었다는 사실 외에도 이러한 나노입자 도핑 광섬유는 표준 섬유로 조작될 수 있으므로 적용이 용이합니다. 이 접근법은 굴절률, 변형률, 온도 및 3D 형상 감지의 분산 감지에 적합한 에르븀과 공동 도핑된 MgO 기반 나노입자 도핑 섬유에 대해 처음으로 시연되었습니다. 이러한 유형의 섬유에서 MgO 기반 나노입자는 임의의 크기와 임의의 분포 패턴을 갖는 프리폼 및 섬유의 코어에서 현장에서 성장합니다. 그러나 레일리 산란 향상과 나노입자의 무작위 크기 및 무작위 분포에 대한 광학 감쇠의 강한 의존성은 재현성과 확장성 측면에서 이러한 접근 방식을 어느 정도 방해합니다. 또한 MgO 기반 나노입자는 레일리 산란 향상 및 양방향 감쇠를 위해 각각 최대 48.9dB 및 14.3dB/m까지 최적화되었지만 감지 길이는 여전히 3m 미만으로 제한되었습니다. 이 모든 연구에서, 전구체 용액 농도가 0.1M MgCl2인 프리폼 준비를 위해 용액 도핑 접근법이 사용되었습니다. 0.1M 이하의 농도에서는 상분리 현상이 관찰되지 않아 상분리된 나노입자의 밀도가 높아져 광섬유의 광감쇠가 증가하였다. 우리는 이 문제를 극복하고 일정량의 인과 게르마늄을 사용하여 실리카 기반 매트릭스를 약간 변형하면 0.005M의 낮은 CaCl2 침지 용액 농도에서 상 분리된 Ca 기반 나노입자가 형성될 수 있음을 보여주었습니다. 결과적으로, 설계된 레일리 산란 강화 Ca 기반 나노입자 도핑 광섬유는 5m에서 200m 이상의 장거리 감지 길이에 적합했으며 상대적으로 낮은 양방향 산란과 함께 25.9~44.9dB 범위의 조정 가능한 향상된 후방 산란을 사용했습니다. 광 손실, 0.1–8.7dB/m. 그럼에도 불구하고, 해당 연구에서 Ca 기반 나노입자도 현장에서 성장했으며, 상분리 현상, 즉 나노입자 특징은 유리화 온도, 침지 용액 농도 및 조성과 같은 여러 예비성형품 제조 조건에 큰 의존성을 보였습니다. 실리카 기반 유리. 더욱이, 우리는 드로잉 공정 동안 나노입자가 드로잉 온도의 함수로 용해 및 재핵화를 겪었으며 이는 나노입자의 형태와 크기에 큰 영향을 미쳤다고 제안했습니다. 우리는 또한 현장 성장에서 Sr 기반 및 Ba가 풍부한 나노입자에 대한 큰 실험적 의존성을 발견했습니다.