Metody detekce analytů založené na speciálních optických vláknech

Abstract

Vláknově-optické senzory poskytují celou řadu výhod jako například imunitu na elektromagnetické pole, malou hmotnost či chemickou odolnost. Těchto předností lze využít v náročných průmyslových prostředích, v místech, kde by mohlo dojít k výbuchu, či v silném elektromagnetickém poli. Disertační práce byla zaměřena na refraktometrickou metodu měření kapalin, jakožto univerzální metodu umožňující zkoumat přítomnost kapalin, koncentraci daných kapalných směsí či ověřovat kvalitu kapalin. Za účelem zvýšení citlivosti měření byla analyzována speciální optická vlákna, a to taperovaná a mikrostrukturní, která mají zvýšený překryv evanescentní vlny se zkoumanou kapalinou. U taperovaných optických vláken byl kladen důraz na přípravu taperů, nalezení ideálního průměru pasu taperu, dlouhodobé testy stability senzoru a zvýšení citlivosti pomocí modifikace povrchu taperu. Dále byla vyvinuta nová refraktometrická metoda založená na mikrostrukturních optických vláknech. Byl vyvinut senzor obsahující mikrostrukturní optické vlákno, který byl dále charakterizován pro různé kapalné analyty. Oba typy senzoru, tj. na bázi taperovaného a mikrostrukturního optického vlákna, byly porovnány z hlediska jejich parametrů a využitelnosti v reálných podmínkách. Byl odvozen univerzální model, umožňující návrh senzoru s mikrostrukturním optickým vláknem s ohledem na citlivost senzoru, jeho dynamický rozsah a index lomu kapalného analytu.

Fiber-optic sensors provide several benefits such as immunity to electromagnetic interference, low weight or chemical resistance. These advantages can be exploited in demanding industrial environments, under strong electromagnetic field or in areas with a higher risk of explosion. Dissertation thesis is focused on the refractometric sensing method as a general method allowing detection of liquid analyte presence, measurement of mixture concentration or verification of liquid quality. Specialty optical fibers, tapered and microstructured, which provide enhanced evanescent-wave overlap with studied liquid analytes have been investigated. Special attention was paid to tapered optical fibers, their preparation process, optimal waist diameter determination, long-term stability and sensitivity enhancement based on the taper surface structural modification. Furthermore, a new refractometric method based on microstructured optical fibers has been derived. Microstructured optical fiber sensor has been proposed, measured and characterized for various liquid analytes. Both sensor types, based on tapered optical fibers and microstructured optical fibers, have been compared in terms of their usability and performance in real conditions. A generalized model for sensor design has been derived, with regard to sensor parameters such as sensitivity, dynamic range and refractive index of a particular liquid analyte.