Sensor de campo magnético rápido y sensible basado en fibra de cristal fotónico con nanoagujeros infiltrados con fluido magnético

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 9672 (2022) Citar este artículo

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Se ha demostrado un sensor de campo magnético de tiempo de respuesta rápido (0,1 s) utilizando una fibra de cristal fotónico con orificios de aire de tamaño nanométrico infiltrados con fluido magnético a base de polietilenglicol. Se investigó en detalle el efecto de la concentración de nanopartículas magnéticas en el fluido sobre el rendimiento del sensor magneto-óptico y su dependencia bajo cargas variables de campo magnético. En particular, la respuesta del sensor se modeló analíticamente con una función de Langevin con un buen ajuste (R\(\ge\)0.996). Se registró un punto de detección de umbral tan bajo como 20 gauss y se demostró un rango de detección de 0 a 350 gauss mediante mediciones de transmisión óptica. Los resultados experimentales se validaron teóricamente utilizando un modelo de transmisión de luz de guía de ondas alimentado por simulaciones de métodos de elementos finitos de los principales modos guiados en el sensor de fibra infiltrada. El esquema de interrogación simple, la alta sensibilidad y el tiempo de respuesta rápido hacen que la sonda magneto-fluídica de fibra óptica híbrida propuesta sea una plataforma prometedora para nuevas aplicaciones de detección bioquímica.

Con el advenimiento del Internet de las cosas, los sensores portátiles y la medicina personalizada, existe una demanda creciente de sensores compactos y confiables para proporcionar biodetección y monitoreo ambiental a usuarios y seres artificialmente inteligentes. Entre varios tipos de sensores basados en fibra óptica, las fibras especiales infiltradas con fluido magnético han atraído recientemente el escrutinio hacia el desarrollo de sensores de campo magnético compactos y altamente sensibles. Los sensores de campo magnético se han utilizado ampliamente en las mediciones de corriente eléctrica, en la metalurgia, la industria energética, en la detección biomédica, para la exploración de petróleo y gas, así como en la industria de la aviación1,2,3. Los métodos más comunes se basan en magnetotransistor, magnetorresistivo, fluxgate o efecto Hall para detectar y medir campos magnéticos4,5,6. Estos sensores presentan algunos inconvenientes relacionados con su consumo de energía, multiplexación limitada, costo, miniaturización y capacidades de monitoreo remoto. Además, las fuentes de campo eléctrico circundantes son propensas a introducir ruido a través de interferencias electromagnéticas en los circuitos electrónicos7.

En comparación con los sensores convencionales, los sensores de campo magnético basados en fibra óptica ofrecen beneficios clave prometedores, como un tamaño compacto, inmunidad a las interferencias electromagnéticas, capacidades de monitoreo remoto y multiplexación a través de modalidades de redes ópticas, alta confiabilidad y sensibilidad. Los sensores iniciales de campo magnético de fibra óptica informados en las últimas cuatro décadas empleaban materiales magnetoestrictivos junto con la interferometría de Mach-Zehnder, mientras que otros esquemas explotan los cambios en el estado de polarización de la luz8,9,10,11.

Mientras tanto, con el crecimiento de la nanotecnología y la llegada de líquidos funcionalizados con nanopartículas, las aplicaciones emergentes de los llamados fluidos magnéticos (MF) se estudian en el campo de la detección. Un MF es un líquido compuesto típicamente por nanopartículas magnéticas de un solo dominio (MNP) recubiertas con un surfactante en suspensión dentro de un vehículo líquido y con propiedades fisicoquímicas diseñadas, que incluyen susceptibilidad magnética, polidispersidad e interacciones dipolares. Debido a sus propiedades magneto-ópticas personalizables, los MF se han aplicado en una variedad de dispositivos fotónicos, incluidas rejillas ópticas12, interruptores ópticos13, moduladores14, acopladores15 y sensores de campo magnético16.

La capacidad de exhibir un índice de refracción (IR) dependiente del campo magnético17,18 que se atribuye a la distribución microestructural de los MNP dentro del MF es un parámetro clave que se utiliza en muchas aplicaciones de detección. En consecuencia, diferentes configuraciones de fibras ópticas junto con MF han sido bien estudiadas como sensores de campo magnético. Se pueden usar en tres configuraciones diferentes, inicialmente en forma de película delgada MF en la cara final de la sección transversal de la fibra óptica, como revestimiento de una fibra grabada/afilada (en la sección central) y finalmente como material de relleno en el interior. la fibra Para la primera configuración, se reportaron varios sensores basados en Fabry-Pérot que incorporan MF dentro de una sección de fibra óptica19,20. Esta técnica adolece de sensibilidad a la expansión térmica y un proceso complicado para calcular y fabricar las dimensiones correctas de la cavidad. Esos problemas se resolvieron en fibras cónicas grabadas21,22, sin embargo, estas fibras adelgazadas son muy frágiles debido a su baja resistencia mecánica. Finalmente, al inyectar el MF dentro de la fibra, no solo se conservan las características microestructuradas originales, sino que toda la fibra también ofrece un área de interacción extendida que mejora la sensibilidad23. En este trabajo, presentamos una fibra de cristal fotónico (PCF) especial con agujeros de aire a escala nanométrica infiltrados con MF. El rendimiento de los sensores, incluidos los puntos de sensibilidad, umbral y saturación, y los tiempos de respuesta/recuperación, se estudiaron en detalle para varias concentraciones de MF. Este trabajo está organizado de la siguiente manera: la sección "Proceso de fabricación y principio de operación" describe el proceso de infiltración de PCF y el principio de detección. En la sección "Resultados y discusión" se considera la investigación experimental sobre el efecto de las concentraciones de MF en las respuestas del sensor. Además, se realizaron simulaciones numéricas con respecto a la potencia de salida, seguidas de una comparación entre los resultados experimentales y de simulación. El sensor funcional propuesto con características como tamaño compacto y tiempo de respuesta/recuperación rápido puede encontrar aplicaciones en la detección industrial y bioquímica en el futuro.

La Figura 1a,b muestra la configuración experimental esquemática para llenar el PCF con MF (MNP ferromagnético de tamaño promedio de 10 nm en solución de polietilenglicol de Ferrotec, EE. UU.). El extremo plano cortado de un PCF de 15 cm se sumergió perpendicularmente en un vial de muestra de 2 ml que contenía el MF. El MF se infiltró con éxito en los agujeros de aire y en toda la longitud del PCF según la ley de Poiseuille24, según la cual el gradiente de presión inducido entre los dos extremos de la fibra da como resultado un flujo laminar de MF [Fig. 1c, d].

La figura 1b muestra la sección transversal SEM del PCF usado que presenta un revestimiento perforado hecho de orificios de aire dispuestos en un patrón de celosía hexagonal con un paso de 1,4 mm y un diámetro promedio de orificio de 480 nm. Para aplicar un campo magnético uniforme en el lado de la PCF infiltrada con MF, se colocó un imán en forma de placa (KJ Magnetics, EE. UU.) junto a la región de detección a distancias definidas con precisión de la fibra. Se empleó un magnetómetro basado en sonda Hall (modelo KOSHAVA 5, Wuntronic GmbH) para controlar la intensidad del campo magnético y calibrar el sensor de fibra óptica del campo magnético. El perfil del haz de salida, así como la potencia transmitida a la salida de la fibra óptica, se controlaron a través de una cámara CCD y un medidor de potencia óptica, respectivamente.

( a ) Esquema de la configuración experimental para llenar el PCF, ( b ) Imagen SEM de sección transversal de PCF, ( c ) Imagen de microscopio óptico de PCF desnudo y ( d ) vistas laterales infiltradas del PCF.

Como se muestra en la Fig. 2b, cuando el PCF infiltrado se expuso al campo magnético, la distribución espacial de MF se transforma de aleatoriamente homogénea a un patrón ordenado dependiente del campo. Los MNP tienden a aglomerarse y formar grupos en forma de cadena a lo largo de la dirección del campo magnético25 debido a la relajación de Néel y browniana. Este fenómeno induce un cambio en el índice de refracción (RI) del MF que depende de la intensidad del campo magnético ejercido26,27.

Es bien sabido que los MF poseen una alta absorción óptica en el espectro visible28, así como una banda de alta absorción a una longitud de onda de 1470 nm. La banda de absorción está relacionada con el proceso de transición orbital en partículas de magnetita29. Por lo tanto, para beneficiarse de la capacidad de ajuste RI de MF en aplicaciones de detección, la geometría de la guía de ondas ópticas juega un papel importante. Por ejemplo, en el caso de un PCF con orificios de aire grandes, se absorbería una fracción mayor de potencia óptica, lo que daría como resultado una pérdida óptica muy alta. En este trabajo, el uso de un PCF especial con orificios de aire muy pequeños permitió la transmisión de luz en el rango de 800 a 1000 nm. La configuración de prueba experimental se representa en la Fig. 2a.

La luz incidente de una fuente de láser infrarrojo cercano (\(\lambda \)= 976 nm, Thorlabs, Pigtailed Butterfly Package) se acopló al PCF a través de una combinación de lentes objetivo. Los perfiles de potencia de luz transmitida y haz de salida se registraron a través de un medidor de potencia óptica y una cámara CCD, respectivamente. Se ajustó un polarizador lineal para optimizar la interacción de la luz con el MF: cuando la dirección del campo E es paralela a la dirección del campo magnético ejercido (H), el cambio inducido en la absorción óptica es casi el doble que en el caso cuando el campo E es perpendicular a la dirección del campo H aplicado29.

Ilustración esquemática de (a) configuración experimental, (b) disposición de nanopartículas magnéticas dentro de los orificios de la PCF con (imagen inferior) y sin (imagen superior) la aplicación de un campo magnético externo.

El sensor propuesto opera en base a la variación de RI y este fenómeno depende en gran medida de la fracción de volumen de partículas de magnetita y el líquido portador (agua, solvente orgánico, etc.). En este sentido, el MF a base de polietilenglicol con propiedades superparamagnéticas utilizado ofrece una mayor estabilidad coloidal en comparación con los MF a base de agua. En este experimento se consideraron tres concentraciones diferentes de MF con 5.9, 8.8 y 11.8 Vol.% de partículas magnéticas. Como se muestra en la Fig. 3, la potencia óptica transmitida a través del PCF infiltrado exhibe una fuerte dependencia con la intensidad del campo magnético aplicado. El punto de saturación del sensor (identificado por marcadores cuadrados en la Fig. 3) aumentó con la concentración de MNP, lo que se atribuye a la magnetización de saturación \(M_{s}\) del MF que sigue una dependencia lineal con la concentración. Generalmente, la magnetización de materiales superparamagnéticos se describe mediante una función de Langevin bajo un campo magnético30.

En consecuencia, los resultados experimentales en la Fig. 3 se ajustaron con una función de Langevin con un buen grado de confianza (\(R \ge 0.996\)). El sensor propuesto exhibió un límite de detección\(\le \)16 gauss dentro del rango de detección efectivo (es decir, por debajo del punto de saturación). Esta demostración de la modulación del campo magnético de la luz transmitida a través de la respuesta superparamagnética de magnetita NPs31 apunta al potencial de utilizar la guía de ondas PCF infiltrada en MF propuesta en aplicaciones de detección magneto-óptica.

Pérdida de transmisión frente al campo magnético para muestras con varias concentraciones de MNP en % en volumen.

La Figura 4 presenta las imágenes de la cámara CCD relacionadas con la intensidad del patrón de haz de salida del PCF infiltrado con varias concentraciones de MF y presentado bajo diferentes intensidades de campo magnético. Esta figura proporciona un apoyo visual claro al hecho representado en la Fig. 3 de que las pérdidas de transmisión aumentan con el campo magnético aplicado para las tres concentraciones de MF investigadas. En ausencia de un campo magnético externo, la partícula de magnetita individual puede describirse como un dipolo magnético de dominio único con momento permanente. Mientras estaba en presencia de un campo magnético bajo (20 gauss), el sensor que contenía la concentración más alta de MNP mostró cambios de patrón distintivos resaltados por rectángulos discontinuos verdes en la Fig. 4i, j. Una explicación es que a mayores porcentajes de volumen de MNP, debido a que la distancia libre entre los centros de dos dipolos es menor, la porción de energía polar atractiva es mayor que la energía térmica, de modo que dominan las interacciones dipolo-dipolo32. El último fenómeno da como resultado pequeños cambios de RI, lo que a su vez conduce a la variación observada en el patrón del haz de salida.

Intensidad del patrón de haz de salida relacionada con los PCF infiltrados con: (a–d) 5,9 % en volumen, (e–h) 8,8 % en volumen y (i–l) 11,8 % en volumen de concentraciones de MNP bajo campos magnéticos aplicados de 0, 20, 230 y 330 gauss.

El tiempo de reacción en aplicaciones de sensores es un parámetro importante. Para evaluar la respuesta dinámica de nuestro sensor, se expusieron PCF infiltrados de igual longitud con diferentes concentraciones de MF a un campo magnético constante de 250 ± 8,7 gauss. Para garantizar la estabilidad y la repetibilidad de las respuestas del sensor, las muestras se expusieron a un campo magnético. consecutivamente durante tres repeticiones. Las muestras que contenían la concentración más baja de partículas magnéticas (5,9% en volumen) exhibieron un tiempo de respuesta muy rápido (intervalo de tiempo durante el cual la potencia óptica transmitida cambia del 90 al 10% de su variación) de 0,1 s y un tiempo de recuperación (inverso al tiempo de respuesta). definición) de también 0.1s como se muestra en la Fig. 5.

Muestra con 8.8 Vol. El % mostró un tiempo de respuesta/recuperación de 0,16 s. Aunque MF con la concentración más alta (11,8% en volumen) mostró un tiempo de respuesta más prolongado de 150 s y un tiempo de recuperación de 9 s. El último tiempo de respuesta prolongado observado se explica por las crecientes fuerzas repulsivas de corto alcance que aumentan a niveles altos de concentración de MNP y que, a su vez, ralentizan las interacciones atractivas dipolo-dipolo responsables de la formación de grupos en forma de cadena [representados en figura 2b]. Cabe señalar que los tiempos de respuesta y recuperación no se vieron afectados por la fuerza del campo magnético aplicado. En la Tabla 1, resumimos el desempeño de las principales especificaciones de detección reportadas en la literatura reciente en comparación con el presente trabajo. Los resultados compilados muestran que el sensor PCF propuesto se compara favorablemente en términos de sensibilidad y tiempo de respuesta.

( a ) Respuesta dinámica del PCF infiltrado con 5.9 Vol. % MF en H = 250 ± 8.7 gauss, (b) Vista de primer plano con resolución más fina de la región de tiempo de respuesta.

También modelamos el principal mecanismo de guía de ondas del PCF infiltrado. Debido al pequeño contraste de RI entre la estructura de fibra de vidrio de sílice y el MF, esperamos fugas de la luz guiada hacia la región del revestimiento perforado, como lo demuestran los patrones de intensidad de salida registrados en la Fig. 4.

Para modelar esta peculiar guía de ondas, se realizaron simulaciones mediante el método de elementos finitos (FEM) utilizando COMSOL Multiphysics. Se asumió un diámetro uniforme de 480 nm de orificios de PCF junto con un valor de paso de 1,4 \(\upmu {\mathrm{m}}\) dentro de los 125 \(\upmu {\mathrm{m}}\) de diámetro recubiertos de sílice PCF. con funda protectora de acrilato (250 \(\upmu {\mathrm{m}}\) de diámetro). Además, el índice de refracción de diferentes MF se midió mediante un refractómetro digital (Kruss DR301-95) a una longitud de onda de 589 nm. Se observó que el RI aumentó linealmente con el aumento de la concentración de las muestras. Eso es para 5.9, 8.8 y 11.7 Vol. % MF los RI medidos fueron 1,4276, 1,4707 y 1,493, respectivamente.

Los últimos valores de RI se utilizaron en las simulaciones, ya que los cambios en RI de MF a 589 nm en comparación con una longitud de onda de 976 nm son insignificantemente pequeños y muestran una tendencia similar con respecto a los cambios en la concentración de MF. Se seleccionaron los primeros cinco modos guiados principales para cada valor del campo magnético aplicado, y se calcularon los correspondientes \(n_{eff}\), pérdidas (\(\alpha \)), campo E y campo H con el solucionador de modo FEM.

Posteriormente, la distribución del campo E transversal en la faceta de salida del sensor de fibra de longitud L se modeló como la superposición coherente de los N modos guiados como se describe en la siguiente ecuación:

donde \(E_j = (E_j^x,E_j^y)\) son las componentes del campo transversal x e y, mientras que \(n_{eff,j}\) y \(\alpha _j\) denotan el índice efectivo real y el coeficiente de pérdida de potencia del modo guiado \(j-th\) a una frecuencia dada \(\omega \). La variable \(C_j\) representa los coeficientes de acoplamiento de amplitud normalizados calculados a partir de la integral superpuesta del haz gaussiano de entrada y la integral superpuesta de las respectivas distribuciones modales del modo \(j-th\):

donde los campos modales se normalizaron correctamente a la unidad de potencia a través de \(\frac{F}{\sqrt{\frac{1}{2}\int Rel{(E_t\times H_t^*)} dxdy}}\), donde F representa el componente de campo (E o H) del vector de campo electromagnético. El láser de 976 nm utilizado está polarizado linealmente de modo que un haz gaussiano polarizado x de radio \(\sigma =7\upmu m \) se consideró como fuente de entrada con potencia óptica P: en las simulaciones:

Por lo tanto, usando la Ec. (1) se puede derivar una expresión para la potencia transmitida en el sensor PCF infiltrado:

donde \((x_0,y_0)\) denota las coordenadas del centro de la sección transversal PCF. Para modelar la potencia transmitida en la Ec. (5) de nuestro sensor de fibra, usamos los primeros cinco modos guiados dominantes simulados por FEM que transportan\(\ge \) 90\(\%\) de la potencia transmitida. Otro parámetro de simulación clave que se consideró se relaciona con los cambios en el índice de refracción del fluido magnético (\(n_{MF}\)) para implementar en nuestras simulaciones cuando el campo magnético aplicado es \(H>0\). Esta relación entre \(n_{MF}\) y H es a priori desconocida. Pero sabiendo que el valor de \(n_{MF}\) obedece a un comportamiento de función de Langevin decreciente30,33 y el hecho de que medimos el valor de \(n_{MF}\) en H=0 gauss, realizamos una serie de FEM simulaciones que nos permitieron encontrar el mejor ajuste entre la pérdida de transmisión de salida del sensor simulada y experimental en la Fig. 6b usando el modelo para \(n_{MF}\) en Eq. (6) y se muestra en la Fig. 6a. Observamos que el modelo de la Ec. (6) se derivó para una concentración de MF de 5,9 % en volumen para la que observamos el mayor rendimiento del sensor. En consecuencia, todas las simulaciones se realizaron para esta concentración específica.

Las discrepancias entre el experimento y las simulaciones se deben a la dispersión óptica adicional dentro de la PCF que no se tiene en cuenta en las simulaciones que supusieron una estructura de PCF perfectamente uniforme.

(a) \(n_{MF}\) modelado frente al campo magnético aplicado, (b) Comparación entre la simulación y los datos experimentales con respecto a la pérdida de transmisión óptica en el PCF infiltrado con MF en función del campo magnético aplicado.

La exquisita precisión de la tecnología de fibra óptica madura en combinación con fluidos funcionales adaptados con partículas magnéticas finas hace que un diseño de sonda magneto-fluídica de fibra óptica híbrida sea deseable para las aplicaciones emergentes de detección bioquímica y ambiental. En este trabajo, proponemos y demostramos un nuevo tipo de sensor de fibra óptica de campo magnético basado en un tipo especial de fibra de cristal fotónico (PCF) con orificios de aire muy pequeños de tamaño submicrónico infiltrados con un fluido magnético funcional (MF). La sonda de fibra óptica resultante nos permitió demostrar un sensor de campo magnético altamente sensible (0–350 gauss), rápido (tiempo de respuesta de 0,1 s) y compacto que se puede controlar utilizando diodos láser de infrarrojo cercano rentables. Los resultados experimentales se ajustaron bien mediante una función de Langevin y se explicaron mediante un modelo de transmisión óptica dependiente del modo y del campo magnético que se validó mediante simulaciones con métodos de elementos finitos. Esta demostración proporciona otro paso hacia nuevos enfoques de detección de fibra óptica magnetofluídicos híbridos para aplicaciones de detección bioquímica y ambiental.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Los autores desean agradecer a Mathieu Gratuze por su ayuda en la extracción de datos de simulación.

Departamento de Ingeniería Eléctrica, Escuela de Tecnología Superior, Montreal, H3C 1K3, Canadá

Saeed Azad, Ricardo Izquierdo & Bora Ung

Université Laval, Centro de Óptica, Fotónica y Láseres (COPL), Quebec, G1V 0A6, Canadá

Satyendra Kumar Mishra

Departamento de Física, Facultad de Ciencias, Universidad de Yasouj, Yasouj, 75918-74934, Irán

Ghasem Rezaei

Departamento de Ingeniería Eléctrica, LACIME, Montreal, H3C 1K3, Canadá

Saeed Azad, Ricardo Izquierdo & Bora Ung

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SA, BU y RI concibió los experimentos. SA y SKM realizaron los experimentos. BU, SA y GR trabajaron en el modelado e interpretación de los resultados. BU y RI supervisaron el proyecto y proporcionaron los recursos. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Bora Ung.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Azad, S., Mishra, SK, Rezaei, G. et al. Sensor de campo magnético rápido y sensible basado en fibra de cristal fotónico con nanoagujeros infiltrados con fluido magnético. Informe científico 12, 9672 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-13873-z

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Recibido: 08 marzo 2022

Aceptado: 30 de mayo de 2022

Publicado: 11 junio 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-13873-z

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Informes científicos (2022)

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