सार:
वैज्ञानिकों ने 2,000 से अधिक वर्षों से अध्ययन किया है कि पृथ्वी गोल है, लेकिन "सपाट पृथ्वी सिद्धांत" के समर्थक अभी भी इस पर दृढ़ता से विश्वास करते हैं। कुछ लोग सबूत खोजने के लिए "दुनिया के अंत तक जाने" के इच्छुक भी हैं, लेकिन उन्हें अभी तक तथाकथित अंत नहीं मिला है। पृथ्वी के आकार को अलग रखते हुए, स्वीडन में रॉयल इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी और यूके में साउथेम्प्टन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने हाल ही में एक ऐसी तकनीक विकसित की है जो साबित करती है कि फाइबर ऑप्टिक सेंसिंग के क्षेत्र में, गोलाकार संरचनाओं की तुलना में सपाट संरचनाएं काफी बेहतर हो सकती हैं।
अनुसंधान टीम ने एक फ्लैट रिबन के आकार का सिलिका ऑप्टिकल फाइबर विकसित किया। इस प्रकार के ऑप्टिकल फाइबर को पारंपरिक बेलनाकार ऑप्टिकल फाइबर की तुलना में भौतिक प्रभावों के प्रति अधिक मजबूत प्रतिक्रिया उत्पन्न करने के लिए संरचनात्मक रूप से डिज़ाइन किया जा सकता है, इसलिए यह बेहतर प्रदर्शन वाला सेंसर बन सकता है। शोधकर्ताओं ने इसे "हाई एस्पेक्ट रेशियो फ्लैट फाइबर" (HARFF) नाम दिया है। एक तुलनात्मक परीक्षण में, इस ऑप्टिकल फाइबर की दबाव संवेदनशीलता पारंपरिक ऑप्टिकल फाइबर की तुलना में 1,000 गुना तक थी; आंतरिक धातु से भरे एक अन्य संस्करण में मजबूत तापमान संवेदन क्षमताएं दिखाई गईं। अनुसंधान टीम ने 120 मीटर से अधिक की लंबाई वाले इस विशेष ऑप्टिकल फाइबर को खींचने के लिए एक एकल प्रयोगात्मक प्रीफॉर्म का उपयोग किया है, जो इसकी विनिर्माण व्यवहार्यता को साबित करता है।
ऑप्टिकल फाइबर का सबसे प्रसिद्ध उपयोग ग्लास के फिलामेंट के रूप में होता है जो डेटा संचारित करता है, प्रकाश की तरंगों के माध्यम से दुनिया भर में जानकारी पहुंचाता है। हालाँकि, फ़ाइबर ऑप्टिक्स भी बहुत सक्षम सेंसर हैं। खिंचाव, दबाव या तापमान जैसे बाहरी प्रभाव कांच के भौतिक और ऑप्टिकल गुणों को थोड़ा बदल सकते हैं। इन बाहरी प्रभावों को फाइबर के माध्यम से यात्रा करते समय प्रकाश में होने वाले परिवर्तनों को ट्रैक करके मापा जा सकता है।
एक मोटा लेकिन सहज सादृश्य पानी देने वाली नली है। जब लोग नली के एक निश्चित हिस्से को दबाते हैं, तो पानी का प्रवाह बदल जाता है। जल प्रवाह में परिवर्तन को मापकर, इंजीनियर यह पता लगा सकते हैं कि कितना दबाव डाला जा रहा है। फ़ाइबर ऑप्टिक सेंसिंग एक समान सिद्धांत का उपयोग करता है, लेकिन बहुत अधिक संवेदनशील है। शोधकर्ता प्रकाश को ऑप्टिकल फाइबर में भेजते हैं, मापते हैं कि प्रकाश संकेत कैसे बदलते हैं, और इन परिवर्तनों का उपयोग यह अनुमान लगाने के लिए करते हैं कि ऑप्टिकल फाइबर ने क्या अनुभव किया है।
फाइबर ब्रैग झंझरी का उपयोग करना एक आम तरीका है। ये झंझरी ऑप्टिकल फाइबर के अंदर लिखी गई छोटी आवधिक संरचनाएं हैं जो प्रकाश की विशिष्ट तरंग दैर्ध्य को प्रतिबिंबित करती हैं। जब एक ऑप्टिकल फाइबर को खींचा या संपीड़ित किया जाता है, तो परावर्तित प्रकाश की तरंग दैर्ध्य बदल जाती है, जिससे इंजीनियरों को तनाव मापने के लिए "ऑप्टिकल रूलर" मिलता है।
परंपरागत सिलिका ऑप्टिकल फाइबर आमतौर पर बेलनाकार होते हैं, जो फाइबर की धुरी के साथ काम करने वाली ताकतों को मापने के लिए एक आदर्श ज्यामिति है। हालाँकि, ठोस ग्लास सिलेंडर पार्श्व बलों और उनके चारों ओर सभी दिशाओं से हाइड्रोस्टैटिक दबाव के प्रति कमजोर रूप से प्रतिक्रियाशील होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप उनकी संवेदनशीलता पर महत्वपूर्ण सीमाएं होती हैं, जो सेंसिंग तकनीक के सबसे वांछनीय गुणों में से एक है।
इस समस्या को हल करने के लिए शोधकर्ताओं ने कांच का आकार बदल दिया। पहले एक गोल फ़ाइबर बनाने और फिर उसे समतल करने की कोशिश करने के बजाय, उन्होंने HARFF को प्रीफ़ॉर्म चरण में एक सपाट संरचना में डिज़ाइन किया, जिसके परिणामस्वरूप 20:1 के करीब पहलू अनुपात के साथ एक ठोस संरचना तैयार हुई। यह रिबन जैसी सपाट ज्यामिति ऑप्टिकल फाइबर बाहरी ताकतों पर कैसे प्रतिक्रिया करती है, इसमें क्रांति ला देती है। सीधे शब्दों में कहें तो, एक गोल छड़ को मोड़ने के लिए आवश्यक बल एक पतली रूलर को मोड़ने के समान नहीं है। सपाट संरचना ऑप्टिकल फाइबर को रूलर की तरह झुकने वाली ताकतों के प्रति अधिक आसानी से प्रतिक्रिया करने में सक्षम बनाएगी।
HARFF के साथ, इंजीनियर फाइबर की चौड़ाई, मोटाई, दीवार की मोटाई और आंतरिक चैनलों को व्यक्तिगत रूप से समायोजित कर सकते हैं ताकि विशेष रूप से डिज़ाइन किया जा सके कि कांच कहाँ झुकता है और कहाँ तनाव केंद्रित होता है।
दबाव सेंसर में, अनुसंधान टीम ने ऑप्टिकल फाइबर के अंदर दो अनुदैर्ध्य रूप से विस्तारित वायु चैनल डिजाइन किए। जानबूझकर डिज़ाइन की गई यह असममित संरचना बाहरी दबाव लागू होने पर विकृत हो जाती है, जिससे ऑप्टिकल वेवगाइड के चारों ओर अलग-अलग दिशाओं में अलग-अलग डिग्री का तनाव पैदा होता है। परिणामस्वरूप, फाइबर का "बायरफ़्रिन्जेंस" नामक गुण भी बदल जाता है। बाइरफ्रिंजेंस का मतलब है कि एक दूसरे के लंबवत दो ध्रुवीकरण दिशाओं में यात्रा करने वाला प्रकाश कांच के एक ही टुकड़े में थोड़ा अलग अपवर्तक सूचकांक का अनुभव करेगा।
इसके बाद शोधकर्ताओं ने ऑप्टिकल वेवगाइड में दो समान फाइबर ब्रैग ग्रेटिंग्स को लिखा, जिससे उनके बीच एक छोटी ऑप्टिकल कैविटी बन गई। जब प्रकाश इस ऑप्टिकल गुहा के भीतर फैलता है, तो यह एक विशिष्ट हस्तक्षेप पैटर्न उत्पन्न करता है। जब दबाव कांच को विकृत करता है, तो इसका द्विअपवर्तन बदल जाता है और हस्तक्षेप पैटर्न मापनीय रूप से बदल जाता है।
सरल शब्दों में, दबाव रिबन फाइबर को विकृत कर देता है, जो ग्लास के ऑप्टिकल गुणों को बदल देता है, और परिवर्तित प्रकाश संकेत शोधकर्ताओं को बताता है कि कितना दबाव लागू किया गया था।
शोधकर्ताओं ने परीक्षण के लिए इस प्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट सेंसर को एक दबाव पोत में रखा, जिसका परीक्षण दबाव 0.40 एमपीए तक पहुंच गया। माप परिणाम दर्शाते हैं कि इसकी चरम-से-गर्त प्रतिक्रिया 7.24 डीबी/एमपीए तक पहुंच जाती है; जब किसी अन्य विश्लेषण विधि का उपयोग करके गणना की जाती है, तो दबाव संवेदनशीलता अधिकतम 31.6 रेड/एमपीए तक पहुंच जाती है। साथ ही, तापमान क्रॉस-सेंसिटिविटी दबाव संवेदनशीलता के 1% से कम है, जो शोधकर्ताओं को तापमान परिवर्तन से दबाव परिवर्तन को अलग करने में मदद करता है।
शोध टीम ने कहा कि अण्डाकार कोर और गोलाकार क्रॉस-सेक्शन का उपयोग करने वाले तुलनीय ऑप्टिकल फाइबर की तुलना में, HARFF की संवेदनशीलता में परिमाण के तीन आदेशों तक सुधार हुआ है, जो लगभग 1,000 गुना है। वे यह भी दावा करते हैं कि हाइड्रोस्टैटिक दबाव संवेदन के लिए अनुकूलित अन्य सिलिका फाइबर डिजाइनों की तुलना में एचएआरएफएफ का प्रदर्शन परिमाण के दो आदेशों तक बेहतर होता है।
दबाव सेंसिंग के अलावा, शोधकर्ताओं ने यह भी प्रदर्शित किया कि उसी मूल ग्लास प्लेटफॉर्म को तापमान सेंसर के रूप में भी डिजाइन किया जा सकता है। तापमान सेंसर में, उन्होंने HARFF के एक आंतरिक चैनल को टिन-आधारित मिश्र धातु से भर दिया। सिलिकॉन डाइऑक्साइड का थर्मल विस्तार गुणांक लगभग 0.5×10⁻⁶/K है, जबकि इस मिश्र धातु का थर्मल विस्तार गुणांक लगभग 23×10⁻⁶/K है। जब दोनों को गर्म किया जाता है, तो धातु आसपास के कांच की अनुमति से कहीं अधिक विस्तार करने का प्रयास करती है। विस्तार में यह अंतर सिलिका में तनाव पैदा करता है, इसकी द्विअर्थीता को बदलता है और फिर से एक ऑप्टिकल सिग्नल बनाता है जिसे मापा जा सकता है।
शोधकर्ताओं का मानना है कि उन्होंने न केवल अधिक शक्तिशाली सेंसर बनाया है, बल्कि फाइबर की ज्यामिति और आंतरिक संरचना को नए इंजीनियरिंग डिजाइन चर में भी बदल दिया है।
रॉयल इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के एक शोधकर्ता पावेल मनिविस्की ने कहा कि यह सिर्फ एक अलग दिखने वाला ऑप्टिकल फाइबर नहीं है, बल्कि ऑप्टिकल फाइबर के लिए एक नया डिजाइन स्थान खोलता है। ज्यामिति को बदलकर, कांच को अपने आस-पास के भौतिक वातावरण पर अधिक महत्वपूर्ण प्रतिक्रिया देने के लिए बनाया जा सकता है।
फाइबर की चौड़ाई, मोटाई, वायु चैनल, ऑप्टिकल वेवगाइड स्थान, या इन चैनलों को भरने वाली सामग्री को बदलकर, भविष्य में विभिन्न प्रकार की सेंसिंग आवश्यकताओं के लिए एक ही मूल विनिर्माण मंच को अनुकूलित करने की उम्मीद है। उदाहरण के लिए, ऐसे ऑप्टिकल फाइबर को एक मिश्रित विंग में एम्बेड करने से बड़ी संख्या में पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक सेंसर का नेटवर्क बिछाए बिना लोड और स्ट्रेन की निगरानी की अनुमति मिल सकेगी।
इसी तरह के ऑप्टिकल फाइबर का उपयोग ड्रोन, पुल, औद्योगिक संरचनाओं और बैटरी जैसे क्षेत्रों में भी किया जा सकता है। इन परिदृश्यों में, आंतरिक तापमान या दबाव में परिवर्तन उपकरण विफलता के प्रारंभिक चेतावनी संकेत के रूप में काम कर सकता है। इसके अलावा, ऑप्टिकल फाइबर के वजन में हल्के, आकार में छोटे और विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप से प्रभावित नहीं होने के भी फायदे हैं।
बेशक, एक प्रभावशाली प्रयोगशाला ऑप्टिकल फाइबर से व्यावहारिक अनुप्रयोग तक जाने के लिए अभी भी काफी लंबा रास्ता तय करना है जो विमान को "ग्लास तंत्रिका तंत्र" जैसा कुछ बनाने की अनुमति देगा। वर्तमान HARFF अभी भी प्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट चरण में है। शोधकर्ताओं ने लगभग 0.16 डीबी/मीटर की प्रकाश प्रसार हानि को मापा, जो उनका मानना है कि मुख्य रूप से फ्लैट फाइबर की अंतर्निहित सीमाओं के बजाय प्रयोगात्मक कोर ज्यामिति और उपयोग की गई सिलिका सामग्री के कारण है।
इसके अलावा, जब HARFF को पारंपरिक ऑप्टिकल फाइबर के साथ जोड़ा जाता है तो उत्पन्न होने वाला नुकसान आमतौर पर 3 डेसिबल से कम होता है, जिसका अर्थ है कि इस तकनीक के अनुकूलन के लिए अभी भी बहुत जगह है।
अनुसंधान टीम के अगले चरण में फाइबर आकार नियंत्रण क्षमताओं को और बेहतर बनाने, ऑप्टिकल हानि को कम करने और HARFF को प्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट सेंसर से वास्तविक सिस्टम में बढ़ावा देने की योजना है। रॉयल इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी ने बताया कि स्मार्ट ड्रोन, उन्नत समग्र सामग्री और सुरक्षित ऊर्जा प्रौद्योगिकियां इस प्रौद्योगिकी के सभी संभावित भविष्य के अनुप्रयोग दिशाएं हैं।
यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि यह शोध फाइबर ऑप्टिक सेंसिंग पर केंद्रित है, न कि दूरसंचार डेटा ट्रांसमिशन पर। दूरसंचार क्षेत्र में, पारंपरिक परिपत्र ऑप्टिकल फाइबर अभी भी मुख्यधारा मानक है।
यह शोध नेचर कम्युनिकेशंस जर्नल में प्रकाशित हुआ है।
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