Crédit :Université du Nebraska-Lincoln
"C'est comme un petit four."
L'ingénieur Ming Han décrit l'un des plus récents exploits de son équipe :un dispositif à fibre optique à pointe de silicium pouvant s'approcher de 2, 000 degrés Fahrenheit, passer de la température ambiante à 300 degrés en quelques fractions de seconde.
Et par "minuscule, " Han signifie microscopique - un dixième de millimètre de diamètre, à peu près l'épaisseur d'une feuille de papier.
La capacité de chauffage de l'appareil pourrait être utilisée dans des contextes allant de la surveillance des gaz à effet de serre à la préparation d'échantillons pour la recherche biologique en passant par la production de microbulles pour des applications médicales ou industrielles. Il agit également comme un thermomètre dont les performances à des chaleurs extrêmes lui permettraient de surveiller la température dans les environnements exigeants des moteurs et des centrales électriques, dit Han.
"Nous avons une structure de capteur élégante avec un mécanisme de chauffage très efficace, " dit Han, professeur agrégé de génie électrique et informatique. "Dans d'autres appareils, l'élément chauffant et l'élément sensible à la température sont généralement deux éléments différents. Ici, nous avons intégré les deux dans la même petite structure."
La conception a évolué à partir des travaux antérieurs de Han sur un capteur de température à fibre optique adapté à l'océanographie. Comme le nouveau design, ce capteur comportait un pilier en silicium microscopique attaché à l'extrémité de la fibre optique - des brins de verre flexibles qui transmettent des signaux lumineux à des vitesses extrêmes. Mais la colle qui a lié le silicium et les fibres optiques se ramollirait à environ 200 degrés Fahrenheit, restreindre son utilisation à des températures plus élevées.
L'appareil ultra-fin de l'équipe passe de la température ambiante à la chaleur à blanc. Crédit :Optics Letters / Guigen Liu
« Ensuite, nous avons eu une percée, " dit Han.
Après avoir à nouveau collé la fibre optique et le pilier en silicone avec de la colle, l'équipe a utilisé un arc de courant électrique extrêmement chaud - essentiellement un éclair soutenu - pour fusionner un autre brin de fibre optique avec le côté opposé du pilier. Le processus a simultanément ramolli la colle de l'autre côté et détaché le brin de fibre optique d'origine, ne laissant que l'appareil nouvellement fusionné.
De là, L'équipe de Han a alimenté deux longueurs d'onde de lumière à travers la fibre optique - un laser de 980 nanomètres qui est absorbé par le silicium, l'autre une longueur d'onde de 1550 nanomètres qui la traverse.
Parce que le laser absorbé produit de la chaleur, sa puissance télécommandée dicte la température de l'appareil. Pendant ce temps, les longueurs d'onde plus larges qui pénètrent dans le silicium sont partiellement réfléchies par les deux extrémités du pilier et commencent à interférer les unes avec les autres. Ces modèles d'interférence changent avec la température du silicium, faisant de leurs lectures un thermomètre précis et réactif.
Han et le co-concepteur Guigen Liu, chercheur postdoctoral en génie électrique et informatique, a déclaré que la capacité de l'appareil à générer une large bande de longueurs d'onde dans l'infrarouge proche à lointain pourrait s'avérer particulièrement utile pour détecter les gaz en fonction de la façon dont ils interagissent avec ces ondes. Et la capacité de mesurer et d'ajuster sa température, Han a dit, confère à l'appareil une polyvalence fonctionnelle inégalée par les micro-chauffages existants.
"Nous avons encore beaucoup de travail à faire pour l'améliorer, ", a-t-il dit. "Mais c'est une technologie très prometteuse qui a beaucoup d'applications passionnantes."
