Luz desembaraçante

AJ Fleisher (à direita) e Tobias Herman (à esquerda) com a configuração experimental. Um laser produz luz que é manipulada na mesa para criar dois pentes de frequência óptica. A luz desses pentes é combinada e alimentada no cabo de fibra óptica que contém o sensor fotônico, que fica localizado dentro de um poço com temperatura controlada. Finalmente, o sinal luminoso é lido por detectores de RF.

Jennifer Lauren Lee/NIST

Os termômetros fotônicos, que medem a temperatura usando luz, têm o potencial de revolucionar a medição de temperatura por serem mais rápidos, menores e mais robustos que os termômetros tradicionais. Em essência, os sensores funcionam passando luz para uma estrutura sensível à temperatura. A luz que sai do aparelho dá aos cientistas informações sobre a temperatura à qual o sensor foi exposto.

Algum dia, estes pequenos termómetros – e tipos adicionais de sensores fotónicos, que medem deformação, humidade, aceleração e outras quantidades – poderão ser incorporados em estruturas como edifícios ou pontes à medida que são construídas. Ao medir essas propriedades à medida que o concreto ou o cimento estão endurecendo, os sensores fotônicos podem fornecer aos engenheiros informações valiosas sobre como a estrutura se formou, o que pode ajudá-los a projetar como a estrutura se comportará no longo prazo.

Mas um problema que os investigadores ainda não resolveram é a melhor maneira de “interrogar” estes sensores fotónicos – isto é, colocar luz e retirar luz. Os métodos tradicionais, que envolvem o uso de lasers para criar cada frequência de luz que entra no sensor, são difíceis, lentos, caros e volumosos.

Jennifer Lauren Lee/NIST

Agora, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) projetaram e testaram uma maneira de interrogar esses sensores cerca de 10 a mil vezes mais rápido que os métodos anteriores. Eles fazem isso com algo chamado sistema de pente de dupla frequência, empregado no passado para tarefas como medir vestígios de gases de efeito estufa, mas nunca antes usado com termômetros fotônicos.

A experiência de prova de princípio leva-os um passo mais perto da comercialização desta tecnologia.

“Fiquei surpreso com o quão bem funcionou”, disse Zeeshan Ahmed do NIST.

Um benefício adicional é que, ao contrário dos métodos tradicionais de entrada e saída de luz dos sensores, o sistema de pente duplo poderia suportar vários sensores fotônicos ao mesmo tempo, reduzindo ainda mais o tamanho e o custo de um futuro sistema comercializado.

Para usar um termômetro fotônico, os pesquisadores colocaram luz de vários comprimentos de onda em um cabo de fibra óptica. Essa luz interage com algum tipo de sensor - neste caso, um tipo de grade que consiste em uma série de marcas de gravação dentro da fibra.

Sean Kelley/NIST

A forma como a luz interage com a grade depende da temperatura. E o sinal que os pesquisadores recebem da exposição a uma temperatura é uma diminuição na amplitude – essencialmente uma “queda” – na luz de um dos muitos comprimentos de onda que eles colocam na fibra. O comprimento de onda que apresenta a queda indica qual temperatura o sensor está experimentando.

Mas como você insere os diferentes comprimentos de onda da luz na fibra?

Uma maneira tradicional é “varrer” o laser, criando uma série de comprimentos de onda diferentes, um de cada vez, e enviando cada um deles para o sensor. Para manter a precisão, os pesquisadores devem realizar uma etapa adicional de comparação de cada comprimento de onda com um padrão que verifique se o comprimento de onda que estão gerando é o pretendido.

“Esta é uma maneira lenta de fazer as coisas”, disse Ahmed. É um pouco como jogar Vinte Perguntas: Você pergunta ao sensor: esse comprimento de onda é aquele com a depressão? Não. Que tal este? Não.

A velocidade é particularmente um problema para aplicações onde as temperaturas mudam rapidamente - por exemplo, ao medir mudanças de temperatura em microssegundos (milionésimos de segundo) como resultado de uma dose de radiação na radioterapia, um tipo de tratamento de câncer que utiliza feixes de luz para aquecer e matar células cancerígenas.