Forschungsteam macht aus flachem Glas einen Ultra-Präzisionssensor

Eine runde Glasfaser reagiert auf Zug entlang ihrer Achse gut, auf Druck von der Seite dagegen kaum. Forscher:innen der KTH Royal Institute of Technology in Stockholm und der University of Southampton haben dieses Problem mit einer neuen Geometrie gelöst: Sie bauen die Faser von Grund auf flach statt rund. Das Ergebnis, getauft High Aspect Ratio Flat Fiber (HARFF), misst Druck bis zu tausendmal empfindlicher als herkömmliche zylindrische Fasern. Das Team hat seine Arbeit in Nature Communications veröffentlicht und bereits mehr als 120 Meter der Faser aus einer einzigen Vorform gezogen.

Warum flach besser funktioniert als rund

Glasfasern dienen längst nicht nur der Datenübertragung. Kräfte wie Zug, Druck oder Temperatur verändern die physikalischen und optischen Eigenschaften des Glases minimal, und Ingenieur:innen lesen diese Veränderungen aus dem durchlaufenden Licht ab. Ein massiver Glaszylinder reagiert auf Querkräfte und hydrostatischen Druck jedoch nur schwach. Die Forscher:innen drehten deshalb den gesamten Herstellungsprozess um: Statt eine runde Faser nachträglich zu flachen, bauen sie das Vorformmaterial von Anfang an als Band mit einem Seitenverhältnis von bis zu 20 zu 1. Ein flaches Profil verhält sich unter Biegekräften wie ein Lineal, das viel leichter nachgibt als ein runder Stab. Diese Empfindlichkeit lässt sich gezielt nutzen.

Zwei Kanäle für die Drucksensorik

Für den Drucksensor integrierte das Team zwei längliche Luftkanäle in die Faser. Unter Druck verformt sich diese asymmetrische Struktur ungleichmäßig und verändert dadurch die Doppelbrechung des Glases, also den Unterschied im Brechungsindex zwischen zwei senkrecht zueinander stehenden Polarisationsrichtungen des Lichts. Zwei identische Bragg-Gitter in der Faser bilden einen optischen Resonator, dessen Interferenzmuster sich bei jeder Druckänderung messbar verschiebt. In einer Testkammer erreichte der Prototyp bei bis zu 0,40 Megapascal eine Empfindlichkeit von 31,6 Radiant pro Megapascal, während die Temperaturquerempfindlichkeit unter einem Prozent blieb. Verglichen mit einer runden Faser mit elliptischem Kern liegt die Drucksensitivität um bis zu drei Größenordnungen höher.

Auch Temperatur lässt sich messen

Für eine temperaturempfindliche Variante füllten die Forscher:innen einen der internen Kanäle mit einer zinnbasierten Legierung. Da sich diese Legierung bei Erwärmung etwa 46-mal stärker ausdehnt als das umgebende Silikatglas, entsteht bei Temperaturänderungen eine mechanische Spannung, die sich wiederum über die Doppelbrechung optisch auslesen lässt. Die Plattform lässt sich also mit denselben Fertigungsschritten auf unterschiedliche physikalische Größen zuschneiden, je nachdem, welche Kanäle die Ingenieur:innen füllen und wie sie die Geometrie anpassen.

Von der Composite-Tragfläche bis zur Batterie

KTH-Forscher Pawel Maniewski beschreibt die Entwicklung als neuen Gestaltungsraum für optische Fasern, weil sich die Geometrie des Glases selbst als Sensorelement einsetzen lässt. Denkbare Anwendungen reichen von Flugzeugtragflächen aus Verbundwerkstoffen, die Belastungen ohne zusätzliche elektronische Sensoren überwachen, über Drohnen und Brücken bis zu Batteriezellen, in denen frühzeitige Druck- oder Temperaturänderungen auf Fehlfunktionen hindeuten. Optische Fasern bringen dabei den Vorteil mit, leicht, kompakt und unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen zu sein.

Der aktuelle Stand bleibt ein Labornachweis. Die optische Dämpfung der Faser liegt bei rund 0,16 Dezibel pro Meter, und beim Spleißen mit Standardfasern gehen typischerweise bis zu drei Dezibel verloren. Beide Werte will das Team in den kommenden Schritten senken, bevor die flache Faser den Sprung von der Werkbank in reale Systeme wie intelligente Drohnen oder sicherere Energiespeicher schafft.

via KTH