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 minúsculos termómetros – e tipos adicionais de sensores fotônicos, 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 fotônicos – 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.

Agora, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) projetaram e testaram uma maneira de interrogar esses sensores entre 10 e 1.000 vezes mais rápido do 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.

O artigo foi publicado na revista Optics Letters , e o experimento de prova de princípio os leva 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, diferentemente 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.

A maneira como a luz interage com a grade depende da temperatura 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 .

“As formas tradicionais de fazer a varredura não são ideais para medir mudanças rápidas de temperatura”, disse Ahmed. "Podemos fazer funcionar, mas não é perfeito. Então, onde nossa equipe e eu começamos a conversar foi nesse contexto: como podemos fazer medições realmente rápidas, mas com precisão?"

No projeto atual, a equipe alcançou esse objetivo usando dispositivos chamados pentes de frequência – luz laser que consiste em uma série de comprimentos de onda diferentes, cada um igualmente espaçado dos outros. (O comprimento de onda e a frequência estão relacionados entre si, como se fossem dois lados da mesma moeda. Quanto menor o comprimento de onda, maior a frequência e vice-versa.) Ao visualizar esses comprimentos de onda plotados em um gráfico, os pentes de frequência parecem um pouco com um pentes de cabelo, onde cada dente é um comprimento de onda discreto de luz.

Os pentes podem ser usados para todo tipo de coisas, desde a construção de relógios atômicos até servirem como referência, ou uma espécie de régua, para a luz que os cientistas podem usar para medir um sinal de luz que sai de seu experimento.

Neste trabalho, os pesquisadores usam um tipo de pente como fonte de luz – o que chamam de “interrogador” – que transportam para o termômetro fotônico. O sinal que os pesquisadores procuram é uma diminuição na quantidade de luz de uma dentição correspondente a uma temperatura específica.

Mas é mais complicado do que isso, porque este sistema na verdade não usa um, mas dois pentes de frequência.

O termômetro fotônico requer luz infravermelha próxima com comprimentos de onda entre cerca de 1.520 nanômetros (bilionésimos de metro) e 1.560 nanômetros – um pouco longo demais para os olhos humanos verem. (Para contextualizar, a luz visível tem comprimentos de onda entre cerca de 400 e 800 nanômetros.) Quando os dentes do pente estão tão espaçados - apenas milésimos de bilionésimos de metro de diferença entre os dentes adjacentes - é difícil ver a inclinação característica que indica aos pesquisadores o temperatura do sensor.

Para ler o sinal com mais facilidade, os pesquisadores criaram um segundo pente que é quase uma cópia exata do primeiro – quase, mas não exatamente. Os pesquisadores então combinam a luz de ambos os pentes e a enviam para o sensor.

Quando a luz de ambos os pentes é combinada, suas frequências ligeiramente deslocadas criam um padrão de batida. Imagine que você tem dois diapasões gerando tons quase idênticos, mas ligeiramente diferentes um do outro. Se você tocá-los um após o outro, eles podem soar iguais para você. Mas se você tocá-los juntos, seus sons ligeiramente diferentes interferirão um no outro. Você pode realmente ouvir essa diferença – parece uma batida, com o tom ficando cada vez mais alto e mais suave.

A distância entre os dentes dos dois pentes está no regime de ondas de radiofrequência (RF), luz com comprimentos de onda da ordem de metros. Ao usar dois pentes ópticos, os pesquisadores criam efetivamente um único pente de RF. A diferença no comprimento de onda entre cada par de dentes nos pentes ópticos é única – e essa diferença cria cada dente único no pente RF.

É importante ressaltar que a “queda” no comprimento de onda no regime óptico, que informa aos pesquisadores qual temperatura o sensor está experimentando, também resulta em uma “queda” na saída de RF. Isso torna a queda na amplitude de um determinado comprimento de onda mais perceptível.

“Essa é a vantagem da abordagem dual-comb: ela comprime toda essa informação óptica no regime de RF, onde é mais fácil de ler”, disse AJ Fleisher do NIST.

Para testar o funcionamento do novo esquema, a equipe do NIST teve que submeter o sensor a uma temperatura bem controlada. Assim, enquanto é interrogado pela luz laser dos dois pentes de frequência óptica , o próprio sensor fotônico fica em um recipiente semelhante a uma garrafa térmica chamado célula de ponto fixo.

Células de ponto fixo são pedaços de material puro que estão derretendo ou congelando. Enquanto passam por essa mudança de fase, a temperatura dentro deles é estável e bem conhecida. Células de ponto fixo são usadas para medir a temperatura de acordo com o sistema internacional de unidades, ou SI – a escala internacional oficial de temperatura.

“Utilizámos uma célula de ponto fixo porque queríamos que a estabilidade da temperatura não fosse o fator limitante nesta experiência”, disse Tobias Herman, do NIST. "Dessa forma, se algo estivesse mudando, se movendo ou fazendo barulho, poderíamos descartar o banho de temperatura como a fonte. Estava ali apenas para ser um palco no qual o interrogador pudesse brilhar."

Com esta configuração, eles foram capazes de medir a temperatura com precisão de dez milésimos de Kelvin, o que os pesquisadores dizem ser suficiente para a maioria das aplicações industriais.

“Foi incrível”, disse Herman. "Usei uma fibra semelhante quando estávamos iniciando um programa de pesquisa diferente, e estava varrendo o laser, um modo tradicional de interrogatório, e a taxa com que obtinha dados era terrivelmente lenta. Em contraste, a taxa de aquisição [coleta de dados tempo] deste sistema foi surpreendente para mim. Mas, para ser justo, sou um especialista em temperatura, não um especialista em pentes. Esta não é minha área, então eu estava pronto para me surpreender.

Nos próximos meses, os pesquisadores esperam testar a mesma configuração com mais de um sensor ao mesmo tempo. Essa é a promessa do sistema fotônico de pente duplo: ser capaz de ter vários termômetros e outros sensores fotônicos em série, com a mesma luz laser viajando através de cada um deles.

“É muito próximo do que precisamos para comercialização”, disse Ahmed. “Já atendemos muitas das métricas que precisamos atender, como a precisão e a velocidade das medições. Este estudo mostra que você pode pegar uma versão pequena de um sistema de pente duplo e obter respostas boas o suficiente para o espaço de aplicação necessário. "