Micro làm từ thủy tinh này có thể chịu được 1.000°C và miễn nhiễm nhiễu điện từ

Một mẫu micro sợi quang hoàn toàn mới cho thấy công nghệ cảm biến dựa trên ánh sáng có thể vượt qua những giới hạn của thiết bị điện tử truyền thống khi hoạt động trong môi trường khắc nghiệt.

Một nhóm các nhà khoa học đã chế tạo thành công một chiếc micro nhỏ đến mức có thể đặt gọn bên trong một sợi silica tinh khiết. Dù kích thước cực kỳ nhỏ, thiết bị vẫn có khả năng thu nhận sóng siêu âm vượt xa ngưỡng nghe của con người. Nhờ được làm từ thủy tinh thay vì linh kiện điện tử, micro này có thể hoạt động ổn định ở điều kiện khắc nghiệt, kể cả nhiệt độ lên tới 1.000°C.

Một trong những mục tiêu dài hạn của nhóm là lắp đặt thiết bị này bên trong các máy biến áp cao áp, qua đó phát hiện sớm dấu hiệu bất thường trước khi sự cố lan rộng và gây mất điện diện rộng.

Theo Xiaobei Zhang, thành viên nhóm nghiên cứu đến từ Đại học Thượng Hải, các cảm biến điện tử thông thường thường bị hỏng do áp lực nhiệt hoặc chịu nhiễu tín hiệu nghiêm trọng. Trong khi đó, micro sợi quang hoàn toàn bằng thủy tinh có thể tồn tại trong môi trường nguy hiểm, miễn nhiễm với nhiễu điện từ nhưng vẫn đủ nhạy để ghi nhận những tín hiệu cảnh báo sớm rất nhỏ của thiết bị.

Công trình được công bố trên tạp chí Optics Express của Optica Publishing Group. Thiết bị có thể phản hồi dải tần từ 40 kHz đến 1,6 MHz. Thay vì cần lớp vỏ cồng kềnh như micro truyền thống, toàn bộ hệ thống cảm biến được tích hợp trực tiếp vào một sợi quang có đường kính chỉ 125 micron.

Zhang cho biết micro này có thể đặt trực tiếp bên trong máy biến áp để “nghe” các tia phóng điện cực nhỏ theo thời gian thực. Nhờ đó có thể ngăn chặn nguy cơ mất điện hoặc thậm chí cháy nổ, đảm bảo an toàn cho hệ thống cung cấp điện. Độ bền vượt trội cùng dải tần rộng cũng khiến thiết bị phù hợp cho nhiều ứng dụng khác, từ kiểm tra công nghiệp, chẩn đoán hình ảnh y tế, giám sát động cơ hàng không vũ trụ cho đến cảnh báo sớm thiên tai.

Phát hiện âm thanh bằng ánh sáng

Trong nghiên cứu này, nhóm tập trung vào việc phát hiện hiện tượng phóng điện cục bộ bên trong máy biến áp cao áp. Đây là những lỗi điện nhỏ có thể xuất hiện từ rất sớm, báo hiệu nguy cơ sự cố lớn trong lưới điện. Tuy nhiên, việc ghi nhận các tín hiệu này trực tiếp trong thiết bị đang vận hành là cực kỳ khó khăn vì môi trường có nhiệt độ cao và nhiễu điện từ mạnh, khiến cảm biến truyền thống hoạt động kém hiệu quả.

Để giải quyết vấn đề, các nhà khoa học phát triển một micro sợi quang dựa trên hiệu ứng quang đàn hồi. Hiệu ứng này cho phép những biến đổi cơ học rất nhỏ, chẳng hạn rung động, làm thay đổi chiết suất của ánh sáng truyền trong sợi quang. Nhờ đó, âm thanh có thể được phát hiện thông qua tín hiệu quang học.

Thiết bị sử dụng cấu trúc cảm biến tùy chỉnh gồm một màng nhạy rung và một vi dầm thủy tinh treo bên trong sợi quang đơn mode. Hai thành phần này kết hợp tạo thành một giao thoa kế Fabry–Pérot, đủ khả năng đo những rung động cực nhỏ, bao gồm cả dao động do hiện tượng phóng điện tạo ra.

Việc tạo ra cấu trúc treo tinh vi bên trong một sợi quang mảnh như sợi tóc đòi hỏi kỹ thuật chế tạo cực kỳ chính xác. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp khắc hóa học cảm ứng bằng laser xung pico giây, cho phép hình thành các vi cấu trúc và nano cấu trúc sâu bên trong vật liệu rắn.

Hoạt động ổn định trong điều kiện cực đoan

Toàn bộ cấu trúc giao thoa được tích hợp trực tiếp vào sợi quang siêu mảnh, tạo nên thiết kế nguyên khối tự bảo vệ. Nhờ đó, thiết bị có thể triển khai dễ dàng trong môi trường nhiệt độ cao và không gian chật hẹp mà không cần thêm lớp bảo vệ bên ngoài.

Trong thử nghiệm, micro được đặt trong lò nung ở 1.000°C suốt 100 phút. Kết quả cho thấy thiết bị vẫn ổn định và truyền tín hiệu rõ ràng trong suốt thời gian này. Nhóm nghiên cứu cũng xác nhận khả năng thu âm trên dải tần cực rộng từ 40 kHz đến 1,6 MHz, bao gồm cả môi trường không khí lẫn dưới nước.

Trong tương lai, nhóm dự định tích hợp vật liệu siêu cấu trúc âm học để nâng cao hơn nữa độ nhạy của thiết bị. Đồng thời, họ sẽ áp dụng nền tảng chế tạo kết hợp cộng và trừ vật liệu bằng laser đa chùm, kết hợp in 3D silica với gia công vi cơ bằng laser siêu nhanh. Mục tiêu là tạo ra lớp vỏ silica siêu bền, giúp tăng cường cả hiệu suất cảm biến lẫn độ bền cơ học, từ đó cho phép lắp đặt micro trong các thiết bị công nghiệp thực tế như máy biến áp đang vận hành và hoạt động lâu dài trong điều kiện khắc nghiệt.