Un capteur de champ magnétique alliant photonique et fluide magnétique
L’image appartient à Saeed Azad.
Nous avons fait la démonstration d’un capteur de champ magnétique à réponse rapide (0,1 s), composé d’une fibre de cristal photonique dont les trous d’aération nanométriques ont été infiltrés par un fluide magnétique. Des mesures de transmission optique ont établi un seuil de détection aussi bas que 20 gauss et une échelle de détection entre 0-350 gauss. Plus particulièrement, la réponse du capteur a fait l’objet d’une modélisation analytique qui a montré une bonne corrélation avec une fonction de Langevin (R=0.996). Cette sonde optique magnétofluidique hybride constitue une plate-forme prometteuse pour de nouvelles applications de détection biochimique en raison de son temps de réponse ultra rapide. Mots clés : Capteur de champ magnétique, fibre à cristaux photoniques, fluide magnétique
Introduction
Les capteurs de champ magnétique sont largement utilisés dans les mesures de courant électrique, la métallurgie, l’industrie électrique, la détection biomédicale, l’exploration pétrolière et gazière et l’industrie aéronautique 1,2. Par rapport aux capteurs classiques, les capteurs de champ magnétique à fibre optique offrent des avantages prometteurs : taille compacte, immunité aux interférences électromagnétiques, surveillance à distance, fiabilité et sensibilité élevées. Parallèlement, avec le développement de la nanotechnologie et l’apparition de liquides fonctionnalisés par nanoparticules, des applications émergentes de fluide magnétique (FM) sont à l’étude dans le domaine de la détection. Le FM est un liquide généralement composé de nanoparticules magnétiques à moment unique (MNP) recouvertes d’un agent tensioactif en suspension dans un support liquide. Ainsi, différentes configurations de fibres optiques associées au FM et utilisées comme capteurs de champ magnétique ont fait l’objet de nombreuses études. Les capteurs Fabry-Pérot qui incorporent le FM dans une section de fibre optique sont sensibles à l’expansion thermique et nécessitent un processus de fabrication complexe 3,4. Dans cette étude, l’injection de FM à l’intérieur de la fibre préserve les caractéristiques microstructurales d’origine et la fibre entière offre une zone de détection étendue et donc une sensibilité accrue5.
Fabrication du capteur
La fig. 1 illustre le montage expérimental. Nous avons introduit la lumière incidente d’une source laser proche infrarouge (λ=976 nm, Pigtailed Butterfly Package de Thorlabs) dans la fibre à cristal photonique (PCF) à l’aide d’une combinaison de lentilles. Un polariseur linéaire a été réglé de façon à optimiser l’interaction de la lumière avec le FM6. Le FM a été infiltré avec succès dans les trous d’aération suivant la loi de Poiseuille7. L’encart 1b montre la section transversale d’une microscopie électronique à balayage (SEM) d’une fibre à cristal photonique (PCF) ayant un pas de 1,4 mm et un diamètre de trou moyen de 480 nm. Comme on peut voir en 1b, lorsque la PCF infiltré e est exposée au champ magnétique, la distribution spatiale du FM passe d’une homogénéité aléatoire à un modèle ordonné en fonction du champ8. Ce phénomène induit un changement d’indice de réfraction (IR) du FM qui dépend de l’intensité du champ magnétique appliqué9.
Fig. 1 : Schéma de (a) montage expérimental, (b) section transversale de SEM de la PCF
L’encart montre la disposition des MNP dans les trous de la PCF avec (image du bas) et sans (image du haut) application d’un champ magnétique externe.
Influence de la concentration de FM
Dans cette expérience, nous avons analysé trois concentrations de FM, à 5,9, 8,8 et 11,8 % en volume de particules magnétiques. À la Fig. 2, nous voyons que la puissance optique transmise présente une forte dépendance à l’intensité du champ magnétique appliqué. Les résultats expérimentaux de la Fig. 2 ont été corrélés à une fonction de Langevin avec un bon degré de confiance (R=0.996). Le capteur proposé a démontré une limite de détection ≤ 16 gauss dans la plage de détection effective (c.-à-d., en dessous du point de saturation).
Fig. 2. Perte de transmission en fonction du champ magnétique d’échantillons à diverses concentrations de MNP en % vol.
Réponse dynamique du capteur
Afin d’évaluer la réponse dynamique de notre capteur, nous avons exposé les PCF à un champ magnétique constant de 250±8,7 gauss trois fois de suite. Les échantillons contenant la plus faible concentration de particules magnétiques (5,9 % vol) ont amené des temps de réponse très rapides (intervalle de temps pendant lequel la puissance optique transmise passe de 90 à 10 % de sa variation) de 0,1 s et des temps de récupération (à l’inverse de la définition du temps de réponse) également de 0,1 s, comme le montre la Fig. 3. Au tableau 1, nous résumons les performances des principales caractéristiques de détection rapportées dans la littérature technique récente.
Fig. 3. (a) Réponse dynamique de la PCF infiltrée avec 5,9 % vol. de FM en H=250 ±8,7 gauss, (b) Vue rapprochée avec résolution élevée de la plage de temps de réponse.
Conclusion
Dans ce travail, nous proposons et présentons un nouveau type de capteur à fibre optique de champ magnétique, soit un type particulier de fibre à cristal photonique (PCF) à trous d’aération de taille submicronique infiltrés avec un fluide magnétique (FM) fonctionnel. La sonde à fibre optique ainsi obtenue nous a permis de faire la démonstration d’un capteur de champ magnétique très sensible (0-35 mT), rapide (temps de réponse de 0,1 s) et compact, qui fonctionne à l’aide de diodes laser bon marché et émettant dans le proche infrarouge. Les résultats expérimentaux ont été corrélés à une fonction de Langevin et analysés par un modèle de champ magnétique et de transmission optique. Cette recherche constitue un pas de plus vers l’adoption d’approches novatrices de détection hybride magnétofluidique à fibre optique pour les applications de détection biochimique et environnementale.
Remerciements
Les auteurs tiennent à remercier Mathieu Gratuze pour son aide dans l’extraction des données de simulation.
Informations supplémentaires
Pour plus d’informations sur cette recherche, veuillez lire l’article suivant :
S. Azad, S.K. Mishra, G. Rezaei, R. Izquierdo, B. Ung, Rapid and sensitive magnetic field sensor based on photonic crystal fiber with magnetic fluid infiltrated nanoholes, Scientific Reports 12(1) (2022) 1-8.
