سنسور فوتونیک (Photonic sensors (PS)) نوعی حسگر است که از خواص نور برای تشخیص و اندازه‌گیری پارامترهای مختلف فیزیکی، شیمیایی یا بیولوژیکی استفاده می‌کند.
سنسور فوتونیک
سنسور یا حسگرهای فوتونیک المان‌هایی هستند که از نور برای تشخیص و اندازه‌گیری مقادیر مختلف فیزیکی یا شیمیایی استفاده می‌کنند. آنها بر تعامل بین نور و ماده متکی هستند که می‌توان از آن برای درک تغییرات در محیط استفاده کرد. حسگرهای فوتونیک را می‌توان برای تشخیص طیف وسیعی از پارامترها، مانند دما، فشار، کرنش، رطوبت، غلظت گاز و بسیاری موارد دیگر طراحی کرد.
سنسورهای فوتونیک انواع مختلفی دارند، از جمله سنسورهای فیبر نوری، حسگرهای تشدید یا رزونانس پلاسمون سطحی (surface plasmon resonance (SPR))، سنسورهای کریستال فوتونی، سنسورهای گاز نوری و غیره. این سنسورها مزایای متعددی نسبت به سنسورهای الکترونیکی سنتی دارند، مانند حساسیت بالا، زمان پاسخ سریع، مصونیت در برابر تداخل الکترومغناطیسی و توانایی کار در محیط‌های سخت. در نتیجه، حسگرهای فوتونیک کاربردهای متعددی در زمینه‌های مختلف از مخابرات گرفته تا زیست‌پزشکی، نظارت بر محیط‌زیست و کنترل فرآیندهای صنعتی پیدا کرده‌اند.
اهمیت سنسورها در دنیای امروز
با توجه به پیشرفت عظیم فناوری، جهان و بیشتر سازمان‌های آن تغییرات قابل توجهی را تجربه کرده‌اند. به خصوص در زمان کنونی که به سمت جامعه نسل 5 انقلاب صنعتی حرکت می‌کنیم. انقلاب صنعتی چهارم یا صنعت 4 (I4.0) به طور کلی به هر کار یا نیروی سیستماتیک در حوزه تجارت، کسب و کار، تولید، خدمات، صنایع دستی و غیره در یک حوزه خاص اطلاق می‌شود که بهبود بهره‌وری و خروجی‌ها، سفارشی‌سازی برای تولید انعطاف پذیر، ایمنی و امنیت کارگر، دسترسی از راه دور، دسترسی به داده‌ها در سراسر زنجیره تأمین برای تصمیم‌گیری بهتر و نگهداری از راه دور و پیش‌بینی، به عنوان عواملی را در نظر می‌گیرد که در نتیجه بهبود‌هایی را در بخش‌های مختلف فراهم خواهد کرد.
مقدار قابل توجهی از داده‌های مشخص (بیگ دیتا) پس از پردازش با استفاده از هوش مصنوعی (AI)، در بسیاری از موارد می‌توانند تصمیمات را ارائه داده و اقدامات مناسب را بدون نیاز به فعالیت انسانی انجام دهند. تمام جنبه‌های این سازمان‌های هوشمند به یکدیگر متصل می‌شوند و با پشتیبانی از هوش مصنوعی و دستگاه‌های هوشمند، عملیات خود را انجام می‌دهند. در میان عناصر ضروری برای ساخت این دستگاه‌ها، این سنسورها هستند که نقش کلیدی ایفا می‌کنند.
طرز کار سنسورهای فوتونیک
در هر سنسور فوتونیک، نور (Lx) از شیء (Oy) حاوی اطلاعات مربوط به محیط اندازه‌گیری خود (Mx) است که پس از تشخیص و پردازش، ممکن است باعث تکثیر پایدار آن در حوزه الکتریکی شود. فوتون‌های نور Lx از Oy می‌توانند توسط خود شیء تولید شوند یا به دلیل تحریک آن با تشعشع اپتیکال مناسب یا هر منبع دیگری از انرژی تحریک شوند (شکل زیر). نور از هدف شامل اطلاعاتی (تحت تأثیر محیط اندازه‌گیری یا سیگنال مدوله کننده) در زمینه چندین ویژگی اصلی آن مانند شدت، فاز، فرکانس، قطبش یا هر ویژگی نوری دیگری است.
تشعشعات نوری یا نورها را می توان با استفاده یا عدم استفاده از موجبرها (waveguide) به جسم منتقل کرد. سپس بخش دیگری از المان حسگری القا می‌شود: کانال نوری
از سوی دیگر، بخش مهم دیگری از یک حسگر فوتونیک واقعی، واحد اپتوالکترونیک (OU) است. این واحد مسئول تولید نور مناسب (در صورت لزوم) برای انجام وظایف پمپ کردن یا بازجویی شیء است. همچنین مسئول به دست آوردن فتودتکشن مناسب، پیش‌تقویت، دموداسیون، و وظایف اضافی (در صورت لزوم) مانند اصلاح تعادل، دیجیتالی‌کردن، پردازش و غیره برای بازتولید شیء در دامنهٔ الکتریکی با کیفیت مشخص قبلی است.
سنسور فوتونیک هوشمند یا SPS
وقتی واحد اپتوالکترونیک سنسور فوتونیک به نوعی هوشمند شود، در اضافه به سیگنال تشخیص داده شده یا به جای آن، سیستم حسگر قابلیت ارائه سیگنال عملیاتی را داشته باشد، المان سنسور فوتونیکی به حسگر فوتونیک هوشمند (SPS) تبدیل می‌شود. بنابراین، SPS به عنوان سیستم حسگر فوتونیکیِ دارای هوش مفهوم دارد که قابلیت ارائه سیگنال‌های عملیاتی را جهت ایجاد واکنش‌های مناسب یا مداخلات در/بر روی شیء (Oy) از که نور الکترونیکی Lx از آن جریان دارد؛ را داراست. هوش مذکور که معمولاً در واحد اپتوالکترونیک قرار دارد، با استفاده از برنامه‌های اجرا شده در الگوریتم‌های خاص ایجاد می‌شود.
اجزای مهم سنسور فوتونیک
با توجه به هر آنچه که در بالا گفته شد، حسگر فوتونیک به طور کلی از سه بخش یا بلوک اصلی تشکیل شده است:مبدل نوری، کانال نوری و واحد اپتوالکترونیکی (شکل زیر). تبدیل کننده نوری بخشی است که در آن measurand Light را مدوله می‌کند؛ کانال نوری بر عهده اتصالات نوری بین تبدیل کننده و واحد اپتوالکترونیکی است؛ واحد اپتوالکترونیکی (OU) نیز بخشی است که سیگنال نوری از شیء (LM) را فتودتکت کرده، تقویت، Demodulated، پردازش، تعمیم دادن و غیره، که به عنوان یک خروجی سیگنال الکتریکی (آنالوگ یا دیجیتال) که بافردار با اندازه‌گیری هستند، ارائه می‌شود. واحد اپتوالکترونیکی نیز در صورت لزوم، تمام فناوری مربوط به منبع (های) نوری را شامل می‌شود تا شی (LM) را برای استفاده از پاسخ نور مناسب تحریک و / یا تغذیه کند.
انواع حسگر فوتونیک
انواع مختلفی از حسگرهای فوتونیک وجود دارد، از جمله:
سنسورهای فوتونیک مبتنی بر فناوری فیبر نوری (OFS)
حسگرهای فوتونیک مبتنی بر فناوری فیبر نوری، که معمولاً به عنوان سنسورهای فیبر نوری (OFS) شناخته می‌شوند، از فیبرهای نوری برای تشخیص تغییرات در مقادیر فیزیکی مانند دما، فشار یا کرنش استفاده می کنند. در یک سنسور فیبر نوری معمولی، نور به یک انتهای فیبر نوری تزریق می شود. نور از فیبر عبور می کند و با محیط اطراف تعامل می‌کند.
هنگامی که فیبر در معرض تغییرات دما، فشار یا کرنش قرار می گیرد، خواص نوری فیبر تغییر می کند و باعث تغییر در نحوه رفتار نور می شود. این تغییر را می توان در انتهای دیگر فیبر با روش های مختلف تشخیص داد.
یک روش رایج برای تشخیص تغییرات در حسگر فیبر نوری بر اساس اصل مدولاسیون شدت است. در این روش، شدت سیگنال نوری که از طریق فیبر منتقل می‌شود، پایش می‌شود. هنگامی که کمیت فیزیکی مورد اندازه گیری تغییر می‌کند، باعث تغییر در شدت سیگنال نور می‌شود که می‌توان آن را تشخیص داد و برای تعیین مقدار کمیت فیزیکی استفاده کرد.
روش دیگر برای تشخیص تغییرات در حسگر فیبر نوری بر اساس اصل مدولاسیون فاز است. در این روش فاز سیگنال نوری که از طریق فیبر منتقل می شود، پایش می شود. هنگامی که کمیت فیزیکی مورد اندازه گیری تغییر می کند، باعث تغییر در فاز سیگنال نور می شود که می تواند برای تعیین مقدار کمیت فیزیکی نیز شناسایی و استفاده شود.
به طور کلی، سنسورهای فیبر نوری مزایای متعددی نسبت به حسگرهای سنتی دارند، از جمله حساسیت بالا، مصونیت در برابر تداخل الکترومغناطیسی و توانایی نظارت بر مقادیر فیزیکی متعدد به طور همزمان با استفاده از یک فیبر واحد.
کاربردهای سنسور فیبر نوری (OFS)
زمینه های کاربردی OFS گسترده است، از جمله نظارت بر سازه‌های عمرانی یا صنعتی (آزمایش‌های تیر بتنی، تیرهای پل، معادن سنگ معدن، ظروف هسته ای، تونل ها، سدهای برق آبی…)، یا مواد کامپوزیتی (سفینه فضایی، دم هواپیما، هلیکوپتر، و روتور آسیاب بادی. تیغه‌ها، بدنه کشتی ها و زیردریایی ها، نظارت بر درمان ترکیبی، تیرهای کامپوزیت برای پل ها…). علاوه بر این، فناوری OFS همچنین می‌تواند به طور کلی برای کنترل و نظارت بر صنایع، فرآیندهای پزشکی و حتی محیطی استفاده شود.
سنسورهای فوتونیک مبتنی بر گریتینگ (Grating-based sensors)
سنسورهای مبتنی بر گریتینگ یا توری نوعی سنسور نوری هستند که از انکسار یا شکست نور برای تشخیص تغییرات در محیط استفاده می کنند. این سنسورها از یک توری بلند و نازک تشکیل شده‌اند که به تغییرات در ضریب شکست محیط اطراف حساس است.
هنگامی که نور از توری عبور می‌کند، منکسر می‌شود و الگوهای تداخلی ایجاد می‌کند که توسط یک آشکارساز قابل تشخیص است. با تغییر شاخص شکست محیط اطراف، الگوی تداخل تغییر می‌کند که نشان دهنده حضور آنالیت (ماده ای که ترکیبات شیمیایی آن در حال شناسایی و اندازه‌گیری است.) است.
انواع مختلفی از حسگرهای مبتنی بر گریتینگ وجود دارد، مانند حسگرهای تشدید پلاسمون سطحی (SPR) و گریتینگ های فیبر براگ (FBG)، اما همه آنها بر اصل استفاده از شکست یا پراش نور برای تشخیص تغییرات در محیط متکی هستند.
سنسورهای فوتونیک کریستال
سنسورهای فوتونیک کریستالی با بهره‌برداری از خواص منحصربه‌فرد کریستال‌های فوتونی، که موادی هستند که دارای تغییرات دوره‌ای در ضریب شکست خود هستند، کار می‌کنند. هنگامی که نور با چنین ماده ای تعامل می‌کند، بسته به طول موج و زاویه تابش، می تواند در جهات خاصی پراش یا منعکس شود.
در سنسور کریستال فوتونی، عنصر حسگر معمولاً یک لایه نازک یا یک موجبر ساخته شده از مواد بلور فوتونی است که برای تعامل با یک آنالیت خاص (به عنوان مثال، یک گاز یا یک مایع) طراحی شده است. هنگامی که آنالیت با عنصر حسگر تماس پیدا می کند، ضریب شکست مؤثر ماده را تغییر می‌دهد که انتشار نور را در ساختار تغییر می‌دهد.
این تغییر در نحوه انتشار نور از طریق ساختار بلور فوتونی را می‌توان با استفاده از تکنیک‌های نوری مختلف، مانند اندازه گیری تغییرات در طیف های انتقال یا انعکاس، یا نظارت بر تغییرات در شدت یا قطبش نور تشخیص داد.
به طور کلی، سنسورهای کریستال فوتونی مزایای متعددی را نسبت به فناوری‌های حسگر سنتی ارائه می‌دهند، از جمله حساسیت بالا، انتخاب‌پذیری و همچنین پتانسیل کوچک‌سازی و ادغام با سایر اجزای نوری.
سنسورهای فوتونیک پلاسمونیک
سنسورهای فوتونیک تداخل سنجی
سنسورهای تداخل سنجی بر اساس اصل تداخل امواج نور هستند. در حسگرهای تداخل سنجی، یک پرتو نور به دو قسمت تقسیم می‌شود و از مسیرهای مختلفی فرستاده می‌شود که طول آنها می‌تواند یکسان یا متفاوت باشد. سپس دو پرتو دوباره با هم ترکیب می شوند و الگوی تداخل حاصل برای تعیین اطلاعات مربوط به سیستم مورد اندازه گیری تجزیه و تحلیل می‌شود.
یکی از انواع رایج سنسورهای تداخل سنجی تداخل سنج فابری-پروت (Fabry-Perot) است. این شامل دو آینه تا حدی منعکس‌کننده است که با فاصله کمی از هم جدا شده اند. هنگامی که نور به آینه ها تابیده می‌شود، مقداری از آن بین آینه ها به جلو و عقب منعکس می‌شود و بازتاب های متعدد و الگوهای تداخلی ایجاد می کند. با تجزیه و تحلیل این الگوها می‌توان اطلاعاتی در مورد پارامترهای فیزیکی سیستم مانند تغییرات فاصله، فشار، دما یا ضریب شکست به دست آورد.
نمونه دیگری از سنسورهای تداخل سنجی؛ تداخل سنج Michelson است. این دستگاه با استفاده از یک پرتو شکاف نور را به دو پرتو مجزا تقسیم می‌کند که در مسیرهای عمود بر هم حرکت می‌کنند. پرتوها به سمت شکاف پرتو بازتاب می‌شوند، دوباره ترکیب می‌شوند و یک الگوی تداخلی تولید می‌کنند که می‌تواند برای آشکار کردن اطلاعات مربوط به سیستم در حال اندازه‌گیری تجزیه و تحلیل شود.
سنسورهای تداخل سنجی طیف گسترده ای از کاربردها در زمینه هایی مانند ارتباطات راه دور، مترولوژی، هوافضا و زیست پزشکی و غیره دارند.
سنسورهای حفره تشدید
سنسورهای کوانتومی فوتونیک
سنسورهای کوانتومی فوتونیک نوعی حسگر کوانتومی هستند که از فوتون‌ها یا ذرات نور برای اندازه‌گیری دقیق استفاده می‌کنند. این حسگرها بر اصول اپتیک کوانتومی متکی هستند، که مطالعه نحوه تعامل نور و ماده در سطح کوانتومی است.
یکی از نمونه‌های حسگر کوانتومی فوتونیک، دوربین کوانتومی است که از فوتون‌های درهم‌تنیده برای گرفتن تصاویر کاملاً ایمن استفاده می‌کند. فوتون های درهم تنیده جفت فوتون هایی هستند که با هم تولید می‌شوند و یک حالت کوانتومی مشترک دارند، به این معنی که هر تغییری در یک فوتون بلافاصله در فوتون دیگر منعکس می شود. با استفاده از فوتون های درهم تنیده برای ایجاد یک تصویر، عکس به دست آمده را نمی توان بدون شکستن درهم تنیدگی رهگیری یا کپی کرد و آن را بسیار ایمن می‌کند.
مثال دیگر میکروسکوپ کوانتومی است که از خواص درهم تنیدگی کوانتومی برای انجام تصویربرداری با وضوح بالا استفاده می‌کند. در یک میکروسکوپ کوانتومی، یک نمونه با پرتوی از فوتون‌های درهم‌تنیده روشن می‌شود و تصویر حاصل با اندازه‌گیری همبستگی بین فوتون‌ها پس از عبور از نمونه ایجاد می‌شود. این تکنیک به تصاویری با وضوح فراتر از حد پراش میکروسکوپ کلاسیک اجازه می دهد.
حسگرهای کوانتومی فوتونیک همچنین کاربردهای بالقوه ای در زمینه‌هایی مانند سنجش از دور و تجزیه و تحلیل شیمیایی دارند. به عنوان مثال، یک سنسور کوانتومی می‌تواند برای تشخیص مقادیر کمی از آلاینده‌ها در آب یا هوا، یا برای سنجش ترکیب مواد در فضا از راه دور استفاده شود. حساسیت و دقت بسیار زیاد حسگرهای کوانتومی فوتونیک آنها را به ابزاری امیدوارکننده برای بسیاری از کاربردهای علمی و فناوری تبدیل کرده است.
