 |
|
|
|
ARTYKUŁY Elektronika Światłowodowe czujniki wielkości chemicznych, środowiskowych i biologicznych – EWOFS 2013 |
|
Odrębną znaczną grupę czujników fotonicznych tworzą kapilary światłowodowe. Kapilara pozwala połączyć transport materii i światła w jednym ściśle ograniczonym mikro-obszarze, i to czasami na znacznej długości, powiększając drogę oddziaływania, tym samym zwiększając wielokrotnie czułość sensora. Także światłowody klasyczne lub strukturalne (z kryształu fotonicznego) są stosowane jako czujniki w klasycznych technikach elektroforezy kapilarnej. W tym ostatnim przypadku detekcji i separacji podlega jednocześnie wiele substancji. W taki sposób sekwencjonowany jest DNA. Dodatkowo można wykorzystać substancje fluorescencyjne.
Ze względu na strukturę porowatą światłowody fotoniczne i czujniki z nich wykonane posiadają bardzo dobry stosunek powierzchni do objętości, a więc większą rozdzielczość pomiaru przy podobnej czułości. Zastąpienie konwencjonalnych kapilar elektroforetycznych, kapilarami światłowodowymi z pierścieniowym profilem refrakcyjnym lub włóknami fotonicznymi wydaje się być bardzo atrakcyjną i przyszłościową ideą. Prowadzone są badania nad optymalizacją światłowodów kapilarnych dla celów chemii analitycznej. Optymalizacja dotyczy gęstości struktury porowatej (stosunek powietrza do szkła w przekroju poprzecznym), wymiarów nano- i mikrokapilar, refrakcji różnicowych, konektorów kapilarnych (ciągłość strumienie materii) i optycznych (ciągłość wiązki światła) itp.
Siły optyczne działające na mikro- i nanocząstki w ośrodkach o różniących się refrakcjach są wykorzystywane praktyczne do budowy pęset optycznych. Przy pomocy światłowodowej (także laserowej) pęsety optycznej możliwe jest efektywne manipulowanie nanoobiektami ze znaczną dokładnością przestrzenną, i osiągającą rozdzielczość pm. Siły ciśnienia promieniowania wiązki optycznej (ze światłowodu zakończonego nanosoczewką) precyzyjnie skupionej w okolicy obiektu przesuwanego lub chwytanego są dokładnie obliczane z modelu sił Lorenza działających na dipole elektryczne. Soczewka na końcu włókna jest wykonywana metodą trawienia lub fotopolimeryzacji nanoobjętości na powierzchni rdzenia. Parametrem procesu jest ogniskowa tej soczewki oraz jej refrakcja. Soczewkowaty rdzeń pozbawiony płaszcza (lub sub-wymiarowy stożek światłowodowy) stanowi mikrokońcówkę światłowodowej pęsety fotonicznej. Promieniowanie z rdzenia o jednodomowych wymiarach poprzecznych rzędu kilku μm efektywnie więzi i przesuwa mikro- i nanocząstki dielektryczne o wymiarach rzędu 1 μm i mniejsze.
Diagnostyka chorób przełykowo-żołądkowych wymaga długotrwałego, często całodobowego monitoringu pH w przełyku i żołądku. Zakres pomiaru wynosi 1…8 jednostek pH. Do detekcji stosowana jest kowalentnie immobilizowana na światłowodzie (na szkle porowatym, lub na cienkiej warstwie pośredniczącej z nanodziurkami o silnej adhezji do szkła) czerwień metylowa. Odczyt jest kolorymetryczny. Parametry czujnika to konstrukcja dostosowana do zastosowań endo-gastrologicznych in-vivo, krótki czas odpowiedzi poniżej 30 s, liniowość charakterystyki pomiarowej, łatwość kalibracji trójpunktowej. Do budowy czujnika stosowane są światłowody plastikowe. Jednorazowe pH metry światłowodowe do zastosowań biomedycznych, głównie endoskopowych są dostępne komercyjnie.
Brachyterapia precyzyjna onkologiczna (w precyzji ma przewagę nad teleterapią) wymaga zastosowania bardzo dokładnych dozymetrów w celu optymalizacji efektów leczenia radiacyjnego. Jako dozymetry stosuje się światłowody ze scyntylatorami. Stosowane scyntylatory powinny emitować światło poza pasmem promieniowania
Czerenkowa (typowo 400…500 nm) w celu uniknięcia nakładania się tych dwóch różnych efektów generacji fotonów. Typowe scyntylatory organiczne promieniują w obszarze długości fal poniżej 550 nm. Światłowody z domieszkowanego szkła neodymowego, np. typu LLBAg, LBiBAg, (lit-ołów-bor-bizmut-srebro) pobudzone radiacyjnie promieniują w zakresie dłuższych fal, bliskiej podczerwieni.
Krótkie odcinki czujnikowe światłowodu neodymowego są sprzęgane (spawane) z obu stron do światłowodu transmisyjnego z nadajnika i odbiornika. Wiele czujników jest multipleksowanych przy pomocy układu światłowodowego tak, że możliwe jest stworzenie sieci pomiarowej obejmującej większą powierzchnię pokrytą czujnikami. Pojedynczy czujnik jest łatwo wprowadzany tą samą sondą co izotop brachyterapeutyczny. Optymalizacja metod brachyterapeutycznych stosuje coraz doskonalsze modele pacjenta wirtualnego. Na takich modelach prowadzone są precyzyjne testy operacyjne zastosowania izotopów (rodzaj izotopu, miejsce immobilizacji, rozkład przestrzenny i czasowy, taktyka napromieniowań, moc dawki) i metod pomiarowych dawki. Czujniki światłowodowe w takich wypadkach stosowane są najczęściej w przypadkach brachyterapii onkologicznej wykonywanej endoskopowo, a więc obejmującej układ trawienny, oddechowy, moczowo-płciowy, krwionośny.
W klasycznym rozwiązaniu światłowodowa siatka Bragga posiada okres współmierny z długością fali propagowanej w światłowodzie. Ze względu na znaczną czułość optycznych włókien Bragga na naprężenia i temperaturę, odcinki takich światłowodów, sprzężone z włóknami transmisyjnymi, są stosowane do monitorowania i pomiarów wielkości fizycznych. W funkcji wielkości mierzonych zmienia się długość fali Bragga. Najistotniejsze kierunki zastosowań dotyczą górnictwa, geologii, sejsmologii, a także monitorowania stanu materiałów kompozytowych dla przemysłu lotniczego, budowlanego. Wynika to ze znacznej odporności włókien optycznych na złe warunki środowiskowe, oraz możiwości pomiarów punktowych i rozłożonych np. metodą reflektometryczną. Specjalna konstrukcja czujników Bragga i metody przetwarzania sygnału pomiarowego umożliwia rozróżnienie pomiędzy wpływem na czujnik temperatury od wpływu naprężenia. Światłowodowe czujniki Bragga znajdują zastosowanie w aparaturze biomedycznej, np. w systemie pomiarowym egzo-szkieletów.
Termometr światłowodowy dla zakresu wysokich temperatur 200…1000oC został zbudowany z włókna dwójłomnego o dwóch siatkach Bragga wykonanych dla dwóch polaryzacji ortogonalnych – szybkiej i wolnej. W funkcji temperatury, lub w funkcji naprężenia włókna, obserwowana jest częstotliwość różnicowa obu siatek Bragga. Dwa filtry optyczne dokonują konwersji przesunięcia różnicowej długości fali w zmiany mocy optycznej. Mechanizm detekcyjny może wykorzystać także interferencję modową. Światłowód z długą 10 cm klasyczną siatką Bragga zastosowano do budowy czujnika poziomu cieczy, np. w reaktorze chemicznym. Pomiar bazuje na różnicy temperatur pomiędzy cieczą i powietrzem. Odczyt jest dokonywany przy pomocy impulsowej reflektometrii wstecznej z przesunięcia częstotliwości siatki jako filtru optycznego. Rozdzielczość pomiaru jest rzędu 1 mm dla siatki o długości 10 cm.
Czujniki światłowodowe skonfigurowane w sieci pomiarowe są integrowane w materiały strukturalne tworzące większe obiekty funkcjonalne w celu monitorowania stanu tych obiektów. Mierzone są naprężenia wewnętrzne i ich rozkład, drgania, zmiany częstotliwości rezonansowych, rozkład temperatury, powstawanie nieciągłości wewnętrznej itp. Drgania czujnika światłowodowego są odczytywane kilkoma różnymi metodami, w zależności od przeznaczenia: reflektometrią optyczną, metodą natężeniową, optyczną metodą spektralną dającą widmo drgań czujnika w paśmie kilkadziesiąt Hz – kilka kHz. Zwiększoną czułość na drgania uzyskuje się w światłowodach z klasyczną a także z długookresową siatką Bragga.
Długookresowe siatki Bragga działają na innej zasadzie niż siatki klasyczne, krótkookresowe. Można powiedzieć, że w szczególny sposób osłabiają transmisję we włóknie w modzie rdzeniowym na korzyść sekwencji modów płaszczowych. Jeśli zmieniamy okres siatki od rozwiązania klasycznego w kierunku długookresowego, wówczas charakterystyka filtru Bragga ulega powolnemu rozszerzeniu, aż charakter filtracyjny ulega zanikowi. Mod rdzeniowy podlega konwersji w kolejne mody płaszczowe, mniej lub bardziej stratne, mniej lub bardziej uwiązane w strukturze rdzeniowopłaszczowej światłowodu. Jeśli mod płaszczowy jest relatywnie niskostratny, to propaguje się na znaczne odległości i jego pole zanikające penetruje obszar przyległy do włókna. Droga oddziaływania z obszarem przyległym jest znaczna. Zwiększenie penetracji uzyskuje się we włóknach stożkowych. Gradient pola zanikającego zależy silnie od refrakcji penetrowanego obszaru.
Odcinek takiego włókna jest czułym refraktometrem. Jest także czuły na zgięcie, mikrozgięcia, drgania włókna, skręcenia, naprężenia poprzeczne i wzdłużne, zmiany temperatury itp. Dla pewnych wartości refrakcji zewnętrznej lub dla pewnych częstotliwości mikrozgięć można uzyskać efekt rezonansowy, w sensie gwałtownego, relatywnie wąskopasmowego wzrostu strat spektralnych włókna. Czułość takiego sensora światłowodowego wokół obszaru zjawiska o charakterze rezonansowym jest bardzo duża, od 10 do 100 razy większa niż w innych obszarach. Położenie charakterystyki rezonansowej strat modowych bardzo silnie zależy także od szczegółów konstrukcyjnych włókna z długookresową siatką Bragga, a w tym od tolerancji jej wymiarów. Jeśli chcemy uzyskać położenie rezonansu w konkretnym miejscu (co zależy od skomplikowanej charakterystyki transmisyjnej siatki długookresowej), dla określonych parametrów pomiaru, to siatka musi być wykonana bardzo dokładnie, z niewielkimi tolerancjami technologicznymi. Siatki długookresowe są wykonywane nie jak klasyczne metodami interferencyjnymi (bardzo dokładnymi), lecz metodami punkt po punkcie (które nie są tak dokładne).
Czujniki światłowodowe z polem zanikającym, szczególnie wyposażone w długookresowe siatki Bragga, stosowane są do detekcji, rozpoznawania i spektroskopii, między innymi, lotnych związków organicznych. Wychwytywanie takich związków wymaga odpowiedniej konstrukcji tej mikro-części czujnika fotonicznego, która obejmuje znaczny gradient zmian zanikającego pola optycznego. Obszar znacznego gradientu pola pokrywa się np. mezo-porowatą cienką warstwą impregnowaną związkiem funkcjonalnym wiążącym lotny związek organiczny. Warstwa mezoporowata składa się z nieorganicznego rusztowania, np. w postaci nanostruktury SiO2 wypełnionej poli-elektrolitem kationowym i następnie nasączanym związkiem funkcjonalnym. Największą czułość takich sensorów uzyskuje się w okolicach punktu dopasowania fazowego. Mechanizm czujnikowy bazuje najczęściej na pomiarze zmiany refrakcji indukowanej przez związek lotny tworzący kompleksy ze związkiem funkcjonalnym (receptorem) immobilizownym w impregnowanej mikrowarstwie porowatej. Detekowane organiczne związki lotne obejmują np. chloroform, pary benzenu itp. Pomiary w tych warunkach mogą być zniekształcane obecnością pary wodnej.
Długookresowe siatki Bragga są stosowane do konstrukcji czujników refraktometrycznych lub spektroskopów światłowodowych z falą zanikającą. Pomiar refrakcji wodno – biologicznego ośrodka zewnętrznego, w którym zanurzony jest światłowód, odbywa się poprzez przesunięcie spektralne rezonansu stratnego. Uzyskiwane czułości pomiaru są rzędu 100 nm na jednostkę refrakcji. Metoda jest stosowana do detekcji wielu substancji biologicznych w wodzie, a szczególnie szkodliwych, np. protein zewnętrznych błon komórkowych E.coli. W zależności od szczegółów konstrukcji, uzyskuje się czujniki o liniowych charakterystykach w określonych granicach stężenia badanej substancji, wysoce powtarzalne, w zakresie ułamka%, bez występowania zjawiska histerezy pomiarowej. Czujniki są regenerowane poprzez przepłukiwanie w odpowiednio dobranych warunkach pH.
Światłowody sub-wymiarowe są włóknami optycznymi niskostratnymi o wymiarach znacznie mniejszych od światłowodów klasycznych i na ogół porównywalnych lub nieznacznie większych od propagowanej długości fali. Mechanizm propagacji fali optycznej jest inny niż w klasycznym światłowodzie. Znaczna część pola jest prowadzona poza włóknem w otaczającej przestrzeni. W pewnych warunkach pole jest uwiązane do mikro-światłowodu. Propagacja jest bardzo czuła na warunki zewnętrzne, co jest wykorzystywane do konstrukcji specjalistycznych czujników fotonicznych.
Światłowody z długookresową siatką Bragga są stosowane do budowy sprzęgaczy, czterowrotników fotonicznych o regulowanych funkcjach sprzęgających i czujnikowych. Na światłowód przewężony nawijany jest światłowód sub-wymiarowy. Modyfikuje on istotnie właściwości światłowodu głównego i w sposób rezonansowy może odebrać z niego część mocy optycznej. W takiej konfiguracji uzyskano znaczne czułości na oddziaływania zewnętrzne: ok. 10 pm/oC termiczne, ponad 10 pm/με mechaniczne. Ze względu na bardzo małą średnicę elementu sprzęgającego i jego znaczną podatność na rozciąganie uzyskuje się duży zakresprzestrajania spektralnego, powyżej 100 nm.
Częstym elementem do budowy czujników światłowodowych jest włókno stożkowe. Taki element, w wersji jednomodowej i quasi-jednomodowej posiada wielo-rezonansowe charakterystyki transmisyjne. Element może być wykonywany w postaci pojedynczej, podwójnej dwustożkowej, wielokrotnej, symetrycznej a także niesymetrycznej. Charakterystyki transmisyjne i wrażliwościowe są optymalizowane do konkretnego funkcjonalnego zastosowania fotonicznego.
Efektywną metodą stosowaną w czujnikach światłowodowych jest wykorzystanie niskostratnych modów płaszczowych. Mody generowane są pasywnie lub aktywnie w pojedynczym włóknie, modyfikowanym włóknie (przewężonym, siatkowym) lub w sprzęgaczu. Modyfikowane cztero-wrotowe sprzęgacze światłowodowe, wykonywane metodą przewężenia, są używane jako czujniki refrakcji, naprężenia, temperatury, oraz wygięcia. Mody płaszczowe w sprzęgaczu są pobudzane poprzez zmianę średnicy przewężenia lub poprzez generację przy pomocy siatki Bragga klasycznej, skośnej lub długookresowej. Mody płaszczowe powinny być jak najmniej stratne w celu umożliwienia odczytu działania czujnika z jak największej odległości.
Czujnik może działać na zasadzie selektywnej stratności konkretnego modu płaszczowego. Charakterystyki stratności modowej posiadają kształt wielo-rezonansowy i są analizowane w szerokim zakresie widmowym kilkudziesięciu nm. Uzyskuje się, dla tej klasy czujników jednodomowych i dla tej metody pomiaru, czułości pomiaru rzędu 10-5 jednostki refrakcji i niepewność pomiaru rzędu 10-8 jednostki refrakcji. Tak znaczna czułość, dla modyfikowanych światłowodów telekomunikacyjnych, występuje w zakresie refrakcji 1,37…1,45. Przesunięcie zakresu pomiarowego wymaga zastosowania włókien optycznych o innych refrakcjach.
Metoda spektroskopii absorpcyjnej w odniesieniu do substancji płynnych, głównie cieczy, takich jak barwniki, ale także gazów, stosowana jest w światłowodowych układach czujnikowych z falą zanikającą. Rozwiązania konstrukcyjne czujników są głównie transmisyjne ale także odbiciowe. Ośrodek mierzony usytuowany jest na zewnątrz włókna. Wówczas fala penetrująca ten ośrodek jest wzmacniana poprzez zastosowanie długookresowej siatki Bragga. Ośrodek mierzony może być usytuowany wewnątrz włókna. Najbardziej efektywnym rozwiązaniem konstrukcyjnym w takim przypadku jest światłowód z zawieszonym rdzeniem. Znaczny gradient pola optycznego, nawet przy niewielkich wartościach absolutnych natężenia, powoduje różne zachowania barwników, np. kationowych i anionowych. Prowadzi to do ich różnego grupowania wzdłuż długości włókna, pewnych obrazów samoorganizowania się nano-cząstek barwnika itp. Stanowić to może podstawę do konstrukcji nowych czujników o znacznie wzmocnionej czułości dla niektórych substancji chemicznych organicznych i biologicznych.
Mikro-systemy typu MOEMS, a właściwie laboratorium na włóknie LOF, są budowane na powierzchni bocznej lub końcowej światłowodu. Podstawą tej technologii jest efektywna integracja nano-struktur metalicznych i dielektrycznych, np. bezpośrednio na zakończeniu włókna optycznego (także na przewężeniu światłowodu lub jego nanostrukturach wewnętrznych – w światłowodzie fotonicznym). Struktury metalo-dielektryczne, dwu- i wielowarstwowe są periodyczne lub quasi periodyczne i jedną z ich wymaganych cech jest wspieranie powierzchniowych rezonansów plazmonicznych. Do nano-strukturyzacji powierzchni końcowej włókna rozwijane i adaptowane są metody analogiczne do produkcji elektronicznych i optycznych elementów planarnych.
Potencjalne zastosowania testowanych technologii to zintegrowane, wielo-parametrowe systemy czujnikowe do zastosowań chemicznych i biologicznych wykorzystujące takie mechanizmy pomiarowe jak: nano-interferometrię, spektroskopię, rozciągnięte spektralnie multi-rezonansy plazmoniczne, polarymetrię i inne. Jednym z celów jest otrzymanie bardzo tanich czujników wieloparametrycznych.
Ta perspektywiczna grupa włókien optycznych wykorzystywana jest do propagacji światła wykorzystując mechanizm zabronionego pasma fotonicznego, a nie mechanizm refrakcyjny, jak w światłowodach klasycznych. Na ogół propagacja nierefrakcyjna jest realizowana w kapilarze fotonicznej z materiału strukturalnego. Prawie cała moc propagowanej wiązki jednomodowej jest unoszona w powietrzu wewnątrz światłowodu, lub w innym materiale wypełniającym rdzeń nierefrakcyjny. Perspektywy zastosowań czujnikowych mogą dotyczyć np. spektroskopii materiału wypełniającego włókno fotoniczne. Ale także wiele innych, jak parametry chemiczne i fizyczne.
|
|
| REKLAMA |
|
|
| REKLAMA |
|
|
wstecz
