Учёные из Королевского технологического института KTH (Швеция), а также Саутгемптонского и Бристольского университетов (Великобритания) разработали необычное плоское оптоволокно, способное само по себе служить сверхчувствительным датчиком давления и температуры. Платформа получила название HARFF — High Aspect-Ratio Flat Fiber, то есть волокно с большим отношением ширины к толщине.
В отличие от привычного круглого оптоволокна, новая конструкция имеет вытянутое четырёхугольное, почти ленточное сечение. Внутри неё могут располагаться воздушные каналы, несколько световодов или вставки из других материалов. Такая геометрия кардинально меняет реакцию кварцевого стекла на поперечную нагрузку.
Для измерения давления инженеры создавали внутри волокна микрополости и добавляли металлы и сплавы, в частности сплавы олова. В эксперименте использовалось микроструктурированное волокно толщиной 80 мкм и шириной 655 мкм с двумя воздушными каналами. Разрешение полученного датчика составило единицы килопаскалей.
Экспериментальный датчик давления оказался до тысячи раз чувствительнее аналогов на основе традиционного круглого волокна.
Ту же платформу превратили в высокочувствительный термометр, заполнив один из каналов сплавом на основе олова с температурой плавления около 220 °C. При нагреве металл расширяется и создаёт в стекле механические напряжения, которые меняют коэффициент преломления — это легко фиксируется стандартным телекоммуникационным оборудованием.
Для экспериментальных образцов было достигнуто соотношение ширины к толщине около 20:1, а микроструктурированные версии содержали несколько параллельных световодов. Важная деталь: плоское волокно можно сваривать с обычным круглым и подключать к уже существующей оптической аппаратуре без замены оборудования.
Оптоволоконные линии давно применяются как датчики сейсмической активности — для этого хватает штатного оборудования, а остальное делают физика распространения света и алгоритмы обработки сигнала. Изменение формы волокна позволило повысить чувствительность подобных систем примерно в тысячу раз.
Это открывает путь к созданию буквально «стеклянных нервов» — сенсорных систем внутри батарей, самолётов, техники и строительных конструкций, способных чувствовать мир и собственное состояние.
По мнению разработчиков, плоские волокна можно встраивать напрямую в композитные материалы самолётов, беспилотников, мостов и других конструкций, а также размещать внутри аккумуляторов для отслеживания расширения электродов, газообразования и опасного роста температуры. Помимо промышленности, технология может найти применение и в медицинских системах мониторинга.