Linear cavity tapered fiber sensor using phase shift cavity ring down spectroscopy
Evre kaydırmalı çınlaç boşalım izgegözlem yöntemi ve sündürülmüş optik lif temelli doğrusal çınlaç algılayıcısı
- Tez No: 667415
- Danışmanlar: Prof. Dr. ALPER KİRAZ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyomühendislik, Bioengineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Biyomedikal Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 106
Özet
Bu tez Bragg ızgaralar ve sündürülmüş life dayanan doğrusal optik çınlaç algılayıcısını tanıtmaktadır. Bu tezde algılama yöntemi olarak evre kaydırmalı çınlaç boşalım izgegözlem yöntemi kullanılmıştır. Doğrusal yapısı ve uygulanan algılama mekanizması sebebiyle tüm çalışma ''evre kaydırmalı çınlaç boşalım izgegözlem yöntemi ve sündürülmüş optik lif temelli doğrusal çınlaç algılayıcısı'' olarak adlandırılmıştır. Tezin ilk kısmı, literatürde mevcut olan optik algılamaya dayalı deneysel araştırma çalışmalarına dayanmaktadır. Gözden geçirilen teknikler arasında yüzey plazmon çınlaması (SPR), çınlaç dalga boyu kayması, doğrudan emilim izgegözlemi, çınlaç boşalım izgegözlemi (CRDS) ve çınlaç ile arttırılmış soğurma izgegözlemi (CEAS) gibi çeşitleri bulunmaktadır. Bu teknikler, her birinin sahip olduğu faydalar ve performanslarını kısıtlayan diğer sınırlamalara bağlı olarak değerlendirilmiştir. Örneğin, yüzey plazmon çınlaması tek geçiş yaklaşımına dayanır, ancak bu özelliği en büyük kısıtlamasıdır. Çoklu geçişi esas alan çınlama dalga boyu kayması yöntemi ise yeterince hassas olmasına rağmen, lazerin şiddet değişiminden olumsuz etkilenebilir. Öte yandan, çınlaç boşalım izgegözleminde bu tür kısıtlamalar yoktur ancak oldukça maliyetli ve karmaşık bir tekniktir. Fakat evre kaymalı çınlaç boşalım izgegözlemi (PS-CRDS), CRDS ve çınlaç dalga boyunun avantajlarını birleştirmekle beraber diğer yöntemlerde karşılaşılan sorunlara çözüm sunmaktadır. Bu yöntem, ekonomik açıdan uygulanabilirdir ve ayrıca lazer şiddetindeki salınımlardan olumsuz etkilenmemektedir. Bu tezde CRDS yönteminin matematiksel temeli de ayrıca ele alınmıştır. Bunlara ek olarak bu bölümde lif Bragg ızgara üretimi, incelemesi, sündürülmüş lif ve sönen alan incelenmesi yer almaktadır. Tezin ikinci bölümünde ise sündürülmüş optik lif çınlacı ile gerçekleştirilen deneysel çalışmalar yer almaktadır. Yaptığımız çalışmada PS-CRDS yöntemiyle sudaki sukroz derişimini yüksek hassasiyette ölçebilen sündürülmüş lif temelli doğrusal çınlaç kullanılmıştır. Lazer taraması sırasında iletim ve evre izgegözleminde elde edilen çınlama kiplerinin tek tek gözlemlenmesi ve takip edilmesi için çınlaç uzunluğu yeterince küçük tasarlanmıştır (⁓1.25 m). Bu sayede lazer kaynağının Pound-Drever-Hall kilitlenmesi ihtiyacı ortadan kalkmakta ve daha basit bir deneysel düzenek elde edilmektedir. Kaydedilen verinin analizi için lazer dalgaboyu çınlaç kipleri ile çınlamadayken evre kaymalarındaki değişimler gözlenmiştir. Bu kip-takip PS-CRDS yöntemi ile yaklaşık 400 μM'den daha düşük algılama hassasiyeti elde edilmiştir. Bu değer sakaroz derişimi algılaması için daha önce önerilen lif döngü çınlacı kullanan PS-CRDS performansından daha iyidir. Geliştirdiğimiz lif algılayıcının hassasiyeti temel olarak sündürülmüş lifin çapına bağlıdır ve yaklaşık 3.2 μm lif çapı için 6°/1mM Sakaroz değeri elde edilmiştir. Burada lif Bragg ızgaralarının (FBG) yansıtma oranları %86'dır ve modülasyon sıklığı 6 MHz olarak ayarlanmıştır. Ölçülen sakaroz hassasiyeti FBG'lerin yansıtma oranlarının arttırılması ya da sündürülmüş lif çapının küçültülmesi ile daha da iyi değerlere çıkarılabilir. Sıvı ortamda ince lif çapı, suyun soğurmasından kaynaklı çınlaç kayıplarını arttırılabilir ancak bu kayıplar bir yükseltici yardımı ile baskılanabilir. Bu tip çınlaçlarda görülen kayıpların, saçılma, optik bileşenler, lif kaynaştırma ya da suyun soğurmasından kaynaklandığı bilinmektedir. Bu kayıplar daha düşük lif çaplarında daha da önemli hale gelmektedir. Bu tür kayıpları gidererek, 2 μm'den daha düşük çaplarda çalışabilmek mümkündür. Tezin son bölümünde, yukarıda bahsedilen şartların uygulanması ve sistemin çalışması örnek deneylerle anlatılmıştır. Temel olarak, optik kayıpları baskılamak amacıyla tasarlanan PS-CRDS deney düzeneğine optik yükseltici (BOA) eklenmiştir. BOA, kazanç değeri dikkatlice ayarlandıktan sonra çınlaç boşalım süresini arttırmakta ve ışığın çınlaç içerisinde daha fazla dolaşabilmesini sağlamaktadır. Bu da ölçüm hassasiyetinin artmasına ve algılama limitinin daha da düşük değerlere ulaşmasına imkan sağlamaktadır. Yükseltici eklenmiş PS-CRDS ölçümlerinde 2 μm sündürülmüş lif çapı ve 2 MHz kipleme sıklığında 4.84°/1mM sakaroz hassasiyeti elde edilmiştir. BOA kazanç değeri daha yüksek seviyelere çıkarılarak ve daha da ince sündürülmüş lif kullanılarak daha iyi hassasiyet değerleri elde edilebilir. Tezin son kısmında, elde edilen sonuçlar değerlendirilmiş ve gelecekte PS-CRDSe dayalı algılayıcı ve algılama tekniğin performansını arttırmaya yönelik önerilere yer verilmiştir. Bu kapsamda, PS-CRDS tekniğinin potansiyel uygulamaları ve ölçüm ucu olarak sündürülmüş lifin yerini alabilecek uygun adaylar değerlendirilmiştir. Bu uygulamalarla geliştirilen cihazın performansının arttırılması mümkündür.
Özet (Çeviri)
This dissertation presents the linear optical cavity sensor based on fiber Bragg grat- ings and tapered optical fiber. The sensing and detection approach used in this thesis is phase shift cavity ring down spectroscopy. It is because of linear nature of the cavity and detection mechanism applied, that the whole study is named as“linear cavity tapered fiber sensor using phase shift cavity ring down spectroscopy”. First part of the thesis is dedicated to the study of experimental investigations that are available in the literature for the purpose of optical sensing. Among the reviewed techniques are the surface plasmon resonance (SPR), resonant wavelength shift, direct absorption spectroscopy, cavity ring down spectroscopy (CRDS) and its vari- ants like cavity enhanced absorption spectroscopy (CEAS). Then these techniques are sorted out depending upon the advantages that they have on each other and limitations that put constraint on their performance. For example, surface plasmon resonance is a single pass approach, which is its major constraint. But multi-pass method dubbed as resonant wavelength shift, although it is sensitive enough but suf-fers from laser intensity changes. On the other hand, cavity ring down spectroscopy, is free from such errors but it is expensive and complicated technique. The sensing technique called phase shift cavity ring down spectroscopy not only combines the advantages of CRDS and resonant wavelength shift but also provide solutions to their short comings. That is, it is economically feasible and not affected by the noise related to laser intensity. In the manuscript under study, mathematical foundation of the phase shift cavity ring down spectroscopy is also given due attention. In addition to this, fabrication of fiber Bragg gratings, their character- ization, tapered optical fiber and its evanescent field are the topics which are also discussed in the same thesis.In the second part of the thesis, an experimental investigation has been reported by using tapered fiber based cavity. Here we employed a tapered fiber-based linear fiber cavity for the demonstration of a highly sensitive sensor for sucrose concentration in water using PS-CRDS. This, linear fiber cavity has a small cavity length (∼1.25 m) that enables the observation and tracking of individual cavity modes in transmission and phase spectra recorded during laser sweeps. Hence, it eliminates the need for Pound–Drever–Hall locking of the laser source to the cavity resonance and thus provide a simpler experimental scheme. The analysis of the recorded data sets was performed to track the changes in phase shifts observed only when the laser wavelength is in resonance with the cavity modes. Such a mode-tracking PS-CRDS approach reveals limit of detection values less than around 400 µM, better than the performance of previously demonstrated PS-CRDS sucrose concentration sensors employing fiber loop resonators. The sensitivity of our sensor critically depends on the fiber taper diameter and can reach up to around 6◦/1mM Suc. for 3.2 µm taper diameter at 6 MHz modulation frequency using fiber Bragg gratings (FBGs) with reflectivities around 86%. This value can be further increased by employing FBGs with higher reflectivities or fiber tapers with smaller diameters provided that the cavity loss due to water absorption is compensated with an amplifier. It is well known fact common sources of optical losses are scattering, optical components, splicing or water absorption (for liquid phase measurements). These losses become more prominent at small taper waist diameters. So, by com- pensating these losses, working at the taper diameter lesser than 2 µm is possible. Last section of the thesis explains the working of the system for above said idea. Basically, to compensate for the optical losses, a booster optical amplifier (BOA) was added in to the previously designed simple PS-CRDS experimental scheme. Af- ter carefully adjusting the gain, this optical amplifier, provides enhanced ring down time and more round trips of light into the cavity. Which ultimately manifests itself in the form of improved sensitivity and detection limit. Some exemplary measurements performed with the amplified PS-CRDS showed the sensitivity of 4.84◦/1mM Suc. for 2 µm taper diameter at 2 MHz modulation fre- quency. Higher sensitivity can also be achieved by adjusting booster optical amplifier at higher gains and using even more thinner tapers. The thesis ends with the con- cluding remarks and future directions. It highlights the potential applications of PS-CRDS and suitable candidates to replace tapered optical fiber as a sensing head. Implementation of these changes further enhance the performance of sensing device.
Benzer Tezler
- Plastik kalıp tasarım esasları ve uygulamalı kalıp tasarım örneği
Principle of plastic injection mold design and a sample of applied mold design
CANKUT BUCAKLIGİL
Yüksek Lisans
Türkçe
1999
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TEOMAN KURTAY
- Femtosaniye lazerlerin metallerle etkileşimlerinde dalgakılavuzu davranışlarının incelenmesi
Investigation of waveguide behaviour in the interaction of femtosecond lasers with metals
ABDULLAH KAMURAN TÜRKOĞLU
Doktora
Türkçe
2012
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SELÇUK AKTÜRK
- Kesme tekniklerinde kullanılan doğrusal boşluklu patlayıcı kaplarında optimum ayak mesafelerinin araştırılması
The search about the optimum stand off distances of linear cavity explosive shaped charges used in cutting technics
ENDER ÖZCAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2006
Adli TıpAnkara ÜniversitesiDisiplinlerarası Adli Tıp Ana Bilim Dalı
PROF.DR. GÜLİN GÜVENDİK
- Widely fiber laser comb bandwidth based on four wave mixing process assisted by multiwavelength Brillouin erbium fiber laser
Başlık çevirisi yok
SUMAYA MUNEER JASIM AL DALWASH
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Gelişim ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. INDRIT MYDERRİZİ
- Design and analysis of multi-wavelength fiber laser based on brillouin and hybrid gain medium
Başlık çevirisi yok
THAMER FAHAD AHMED AL-MASHHADANI
Doktora
İngilizce
2014
Mühendislik BilimleriUniversiti Tenaga Nasional-UNITENProf. Dr. MD ZAINI JAMALUDIN