엉키지 않는 빛

실험 설정을 갖춘 AJ Fleisher(오른쪽)와 Tobias Herman(왼쪽). 레이저는 두 개의 광 주파수 빗을 생성하기 위해 테이블에서 조작되는 빛을 생성합니다. 이러한 빗에서 나오는 빛은 결합되어 온도가 조절되는 우물 내부에 위치한 광 센서가 포함된 광섬유 케이블로 공급됩니다. 마지막으로 광 신호는 RF 감지기에 의해 판독됩니다.

제니퍼 로렌 리/NIST

빛을 사용하여 온도를 측정하는 광자 온도계는 기존 온도계보다 더 빠르고, 더 작고, 더 견고하여 온도 측정에 혁명을 일으킬 가능성이 있습니다. 본질적으로 센서는 온도에 민감한 구조에 빛을 전달하여 작동합니다. 장치에서 나오는 빛은 과학자들에게 센서가 노출된 온도에 대한 정보를 제공합니다.

언젠가는 이 작은 온도계와 변형률, 습도, 가속도 및 기타 양을 측정하는 추가 유형의 광 센서가 건물이나 교량과 같은 구조물이 건설되는 동안 내장될 수 있을 것입니다. 콘크리트나 시멘트가 경화될 때 이러한 특성을 측정함으로써 광센서는 엔지니어에게 구조가 어떻게 형성되었는지에 대한 귀중한 정보를 제공할 수 있으며, 이는 구조가 장기적으로 어떻게 작동할지 예측하는 데 도움이 될 수 있습니다.

그러나 연구자들이 아직 해결하지 못한 한 가지 문제는 이러한 광 센서를 "조사"하는 가장 좋은 방법, 즉 빛을 넣고 끄는 것입니다. 레이저를 사용하여 센서에 들어오는 빛의 각 주파수를 생성하는 기존 방법은 어렵고 느리며 비용이 많이 들고 부피가 큽니다.

제니퍼 로렌 리/NIST

이제 NIST(National Institute of Standards and Technology)의 연구원들은 이전 방법보다 약 10~1000배 빠르게 이러한 센서를 조사하는 방법을 설계하고 테스트했습니다. 그들은 과거에 미량의 온실가스 측정과 같은 작업에 사용되었지만 이전에는 광자 온도계에는 사용되지 않았던 이중 주파수 빗 시스템이라는 것을 사용하여 이를 수행합니다.

원리 증명 실험을 통해 이 기술의 상용화에 한 걸음 더 가까워졌습니다.

NIST의 Zeeshan Ahmed는 "이 방법이 얼마나 잘 작동하는지 보고 놀랐습니다."라고 말했습니다.

추가적인 이점은 센서에 빛을 들어오고 나가는 기존 방법과 달리 이중 빗 시스템이 한 번에 여러 광자 센서를 지원할 수 있어 향후 상용화 시스템의 크기와 비용을 더욱 줄일 수 있다는 것입니다.

광자 온도계를 사용하기 위해 연구자들은 다양한 파장의 빛을 광섬유 케이블에 넣었습니다. 그 빛은 일종의 센서(이 경우 광섬유 내부에 일련의 에칭 마크로 구성된 격자 유형)와 상호 작용합니다.

션 켈리/NIST

빛이 격자와 상호 작용하는 방식은 온도에 따라 달라집니다. 그리고 연구원들이 온도에 노출된 후 얻은 신호는 그들이 섬유에 입력한 많은 파장 중 하나에서 나오는 빛의 진폭 감소(본질적으로 "딥")입니다. 딥이 있는 파장은 센서가 겪고 있는 온도를 알려줍니다.

하지만 어떻게 다양한 파장의 빛을 광섬유로 끌어들이나요?

전통적인 방법 중 하나는 레이저를 "스위핑"하여 한 번에 하나씩 일련의 서로 다른 파장을 생성하고 각각을 센서로 보내는 것입니다. 정확성을 유지하기 위해 연구자들은 생성하는 파장이 의도한 파장인지 확인하는 표준과 각 파장을 비교하는 추가 단계를 수행해야 합니다.

Ahmed는 "이것은 일을 처리하는 느린 방법입니다."라고 말했습니다. 이는 20가지 질문을 하는 것과 비슷합니다. 센서에 물어보면 이 파장이 딥이 있는 파장인가요? 아뇨. 이건 어때요? 아니요.

속도는 특히 온도가 급격하게 변하는 응용 분야에서 문제가 됩니다. 예를 들어 방사선 치료에서 방사선량으로 인한 온도 변화를 마이크로초(100만분의 1초)로 측정할 때, 광선을 사용하여 방사선 치료를 수행하는 암 치료의 일종입니다. 가열하여 암세포를 죽인다.