Optofluidic sensing with optical microresonators
Optik mikroçınlaçlar ile opto-akışkan algılamaları
- Tez No: 492514
- Danışmanlar: PROF. DR. ALPER KİRAZ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 130
Özet
Bu tezde sıvı ya da gaz evrede algılama yapabilmek için kullanılan optik mikroçınlaçlar işlenmiştir. Optik mikroçınlaç olarak mikrodiskler, mikrohalkalar, mikroyuvarlar ve mikrosilindirler gibi değişik geometriler kullanılmıştır. Algılama yöntemi, ortamda ölçülmek istenen bir niceliğin değişimi sonucunda değişen optik özelliklere dayanmaktadır. Bu nicelik değiştiği sırada mikroçınlaçların optik kipleri, diğer bir adıyla fısıldayan geçit kipleri (FGK'ler) incelenmiş ve elektromanyetik tayf izge üzerindeki konumları ve nitelik katsayıları izlenmiş ve oluşan değişikliklerin duyarlı birer göstergeleri olarak kullanılmıştır. Bu tez kapsamında, havadaki nem ve hidrojen gazı algılaması yapılmış, sıvı kırılma katsayısı ölçülmüş ve sıvı mikroyuvarların içerisindeki yabancı madde olup olmadığı denetlenmiştir. Nem ölçümü çalışmasında, SU-8 mikrodisk çınlaçlar kullanılarak havadaki nemin algılanması gerçekleştirilmiştir. Kullanılan bu SU-8 mikrodisk çınlaçlar tek adımlı bir üretim ile elde edilmiştir, ve yinelenebilir, uzun süreli çalışan bir algılama olanağı sunmaktadır. Bu SU-8 mikrodisk çınlaçlar Pd ile kaplandığı zaman hidrojen gaz algılayıcısı olarak da kullanılabilmektedir. Bu düşünceden yola çıkarak, üzerine Pd kaplanmış SU-8 mikrodisk çınlaçlar ile düşük derişimlerde (hidrojenin yanma derişimi olan %4'ten çok daha düşük düzeylerde) hidrojen gazı algılaması gösterilmiştir. Gaz örneklerden ayrı olarak, sıvı örneklerin kullanıldığı iki tane çalışma daha yapılmıştır. İlk çalışmada optik lif çınlaç (OLÇ) kullanılarak sıvı ortamın kırılma katsayısı ölçülmüştür. Bu çınlaçlar olağan liflerden kolaylıkla elde edilmekte ve 10-5'lik kırıla katsayısı duyarlılığı göstermektedir. OLÇ algılayıcıdan beklenen tepki bulunmuş ve kırılma katsayısı algılaması deneysel sonuçları ile birlikte ortaya konmuştur. İkinci çalışmada ise yağdan elde edilen mikro-damlacıkların içerisindeki yabancı özdek algılaması deneyleri yapılmıştır. Bu çalışmaya ek olarak, benzil benzoattan (BB) yapılmış damlacıklar işlenmiştir. BB damlacıkların çözünmesi ya da küçük boyutlu parçacıkların damlacıkla etkileşmesi sonucu FGK'lerinde meydana gelen değişimler açıklanmıştır. Bu deneyler, mikro-akışkan oluklar içeren yongalarda yapılmış ve damlacıkların nitelik katsayıları izlenerek damlacık içerisinde yabancı özdek bulunup bulunmadığı anlaşılmaktadır. Son olarak, polimer ve Pd kaplı OLÇ kullanılarak hidrojen gazı algılaması yapılmıştır. OLÇ'ler, Pd kaplı SU-8 mikrodisk çınlaçlardan daha duyarlı bir algılama ortaya koymuştur. Ayrıca OLÇ yapıları SU-8 mikrodisk yapılarından daha duyarlı olup üretilmeleri daha kolaydır. Bu çalışmada, milyonda 1000 gibi düşük derişimlerde hidrojen ölçümleri yapılmıştır, ve milyonda 100 düzeylerinin de altına inilebileceğinin olası olduğu tartışılmıştır. Elde edilen ölçümler ve bu ölçümlerin altında yatan algılama yöntemleri işlenmiş ve FGK tabanlı çalışmalarla ulaşılmış en iyi değerlerle karşılaştırma yapılmıştır.
Özet (Çeviri)
In this thesis, detection of various fluids using optical microresonators is described. As optical microresonators, different geometries are used such as microdisks, microrings, microspheres, and microcylinders. The sensing mechanism relies on the change of optical properties, when there is a change in the amount of quantity of interest. Modes of optical microresonators, also known as whispering gallery modes (WGMs), are analyzed for the changes, and their spectral positions or quality factors are tracked, and employed as sensitive indicators of the changes. Sensing of air humidity and hydrogen gas, liquid refractometry, and contamination detection in liquid microspheres are demonstrated in the context of this thesis. In humidity sensing work, air humidity is sensitively detected using SU-8 polymer microdisk resonators. These resonators are produced with a single-step fabrication, and they provide a repeatable and long-term-stable sensing platform. When these SU-8 microresonators are coated with Pd, they can also operate as hydrogen sensors. Using this idea, hydrogen gas sensing using Pd-coated SU-8 microdisk resonators is presented in the hydrogen concentrations well below its flammable limit of 4%. Apart from gas sensing, detection in a liquid environment is also studied in two studies. In the first study, the refractive index of the liquid environment is detected using optical fiber resonators (OFRs). These OFRs are easily fabricated from standard optical fibers, and they provide refractive index sensitivity in the order of 10-5 RIU. Refractive index detection results, as well as the analytical calculations of the expected response of OFR sensors, are discussed. In the second study, contamination of the oil droplets is investigated for sunflower seed oil-olive oil mixtures. In addition, benzyl benzoate (BB) droplets are investigated. WGM shifts due to dissolution of the BB droplets, as well as incoming and outgoing small particles are discussed. The experiments performed in microfluidic chips and the droplets are held in position using optical trapping. Based on the Q-factors of the droplets, the material contained inside the droplets can be predicted. Finally, hydrogen gas sensing using polymer and Pd-coated OFRs is presented. These OFRs present even higher sensitivity than the Pd-coated SU-8 microdisk resonators. OFR sensors are easier to prepare and more flexible than the SU-8 microdisk sensors. Hydrogen concentrations down to 1000 ppm are successfully detected, with a potential detection limit less than 100 ppm. For all these sensing applications, detection results and underlying sensing mechanisms are presented, and they are compared with the state-of-the-art WGM-based sensors.
Benzer Tezler
- Optical fiber-based microcylinder ring resonator: A robust platform for optofluidic sensing
Optik lif tabanlı mikrosilindir halka çınlaç: Optoakışkan algılamaya yönelik sağlam bir üstyapı
NIMA BAVILI
Doktora
İngilizce
2021
Fizik ve Fizik MühendisliğiKoç ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALPER KİRAZ
- Ultrahigh resolution optical spectroscopy of liquid microdroplets using tapered optical fiber waveguides
Süperhidrofobik yüzey üzerinde duran sıvı mikrodamlaların inceltilmiş optik fiber ile ultrayüksek çözünürlükte optik spekstroskopisi
YASİN KARADAĞ
Doktora
İngilizce
2013
Fizik ve Fizik MühendisliğiKoç ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALPER KİRAZ
- Elastic light scattering and modulation from solid microspheres in liquids
Sıvı içindeki katı mikroyuvarlardan elastik ışık saçılması ve kiplenmesi
HUZEYFE YILMAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Fizik ve Fizik MühendisliğiKoç ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ SERPENGÜZEL
- Potential of microdroplet lasers for optofluidic biosensing applications
Mikrodamla lazerlerin olası opto-akışkan biyoalgılama uygulamaları
MEHDİ AAS
- Fabrication of surface assisted liquid manipulation systems
Yüzey destekli akışkan kontrol sistemlerinin geliştirilmesi
MUHAMMAD ZEESHAN RASHID
Doktora
İngilizce
2018
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALPER KİRAZ