Optical fiber-based microcylinder ring resonator: A robust platform for optofluidic sensing
Optik lif tabanlı mikrosilindir halka çınlaç: Optoakışkan algılamaya yönelik sağlam bir üstyapı
- Tez No: 667943
- Danışmanlar: PROF. DR. ALPER KİRAZ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Optik algılayıcılar, Optical sensors
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tezde, çeşitli farklı algılama alanlarında mikroçınlaçların kullanımı incelenmiştir. Mikroçınlaçlar veya mikrokovuklar, optik fısıldayan geçit kipler (FGK) olarak adlandırılan özel salınımların oluşmasını sağlayan mikro boyutlardaki yapılara verilen isimdir. Mikroçınlaçlar, yüksek kırılma katsayısı ve pürüzsüz yüzeyleri sayesinde, ışığın ardışık şekilde tam yansımasını sağlayıp kovuğun içinde yerelleşmesine neden olurlar. Çınlaç içerisinde yerelleşen elektromanyetik dalganın eteği birkaç yüz nanometre civarında çınlacın dışına taşabilir. Dolayısıyla kırılma katsayısı değişimi, ışığın yolunun değişmesine neden olan bir parçacığın çınlaca yapışması veya çınlacın çapının değişmesi, FGK'lerin özelliklerinin değişmesine sebebiyet verir. Bu özellikler nitelik etmeni (Q-etmeni), elektromanyetik izge üzerindeki konumları veya aynı anda her ikisi de olabilir. Algılama cihazlarının çalışma prensibi bu özelliklerin takibine dayanmaktadır. Bu tezde tek kipli optik lif, silindir şeklinde potansiyel mikroçınlaç çekirdeği olarak önerilmiş ve farklı kullanım alanları gösterilmiştir. Öncelikle bu yapı herhangi bir kaplama olmadan çıplak bir şekilde kırılma katsayısı değişiminin algılaması için kullanılmıştır. Sıvı ortamındaki kırılma katsayısı değişimi, FGK'lerin elektromanyetik izge üzerindeki konumlarının değişmesini sağlar. Bu çalışmada algılama tekniği izge üzerindeki konumlarının takibine dayanmaktadır. Elde edilen deneysel sonuçların, öngörülen kuramsal değerlerle çok iyi bir şekilde örtüştüğü gösterilmiştir. Tez kapsamında gerçekleştirilen diğer bir çalışmada polimer fırça (PF) optik lif üzerine kaplama olarak kullanılmıştır. PF'ler yoğun ve sıkışık makromolekül zincirlerine verilen isimdir ve değişik ve ayarlanabilir özelliklere sahip oldukları için birçok alanda kaplama vs. olarak kullanılırlar. PF'lerin neme maruz kaldıkları zaman genleştikleri daha önce gösterilmiştir. Bu özellik, bu çalışmada nem algılaması için kullanılmıştır. Bu yapının bir önceki çalışmaya göre farkı, mikroçınlaçın yarıçap değişimi, kırılma katsayısına ek olarak, FGK'lerin izge üzerindeki konumlarının kaymasına neden olmasıdır. Bu çalışmalardan elde edilen bilgiler değerlendirilerek, yüksek hassasiyetli, özgün ve kolay üretilebilir hidrojen gaz algılayıcı platformu geliştirilmiştir. Bu sensör platformu polimer mikrosilindir mikro halka yapısına sahiptir ve optik lif üzerinde iki ayrı kaplamadan oluşmaktadır. Bunlar en alt katmadaki ve hidrojen gazına duyarlı olan, paladyum (Pd) metalinden yapılan nanoyüzey ve dış katmandaki ışığın ilerlemesini sağlayan PDMS polimerinden yapılan yüzeyden ibarettir. Bu çalışmada, yüzey morfolojisi, kaplama kalınlıkları gibi, sensör başarımını etkileyen değişkenler incelenmiştir. Gerçek ortam şartlarını incelemek için oksijen gazı ve nem ortamının sensöre etkisi de ayrıca incelenmiştir. Önerilen sensör, yüksek hassasiyet ve yüksek algılama sınırı, kıyaslanabilir yanıt zamanı ve çok iyi tekrarlanabilirlik ve dayanıklılık özelliklerinden dolayı, mikroçınlaçlara dayalı hidrojen sensörleri arasında en üst mertebelerde yer almıştır. Bir sonraki bölümde, önerilen platform, H-metal sistemini incelemek için kullanılmıştır. Yine Pd örnek metal olarak kullanılmış ve nanoyüzeydeki faz geçişleri ve stres boşalma mekanizmaları bu yöntem kullanarak gösterilip tartışılmıştır. Benzer bir şekilde nanoyüzeyin alt katmanının metalin genleşmesine olan etkisi bir sonraki bölümde incelenmiştir. Buna göre PDMS gibi esnek bir alt katmanın kullanılmasının Pd nanoyüzey metalinin genleşmesini önemli ölçüde artırdığı gözlemlenmiştir. Ayrıca, elde edilen sonuçlar, sayısal hesaplamalarla karşılaştırılmıştır. Önerilen hidrojen gaz sensörü yüksek hassasiyete sahip olmasına rağmen, üretilirken yüksek vakum ortamına ihtiyaç duymaktadır. Bunun önüne geçmek için, son olarak Pd mikroparçacıklara dayalı mikroçınlaç yapısı önerilmiştir. Bu platform ise daha kolay üretilebilir, kıyaslanabilir ve doğrusal hassasiyete sahip olma avantajını göstermiştir. Bu tezde gösterilen farklı algılama platformları, gaz, sıvı ve bioalgılama alanları başta olmak üzere gelecek çalışmalar için potansiyel tasarımlar olarak önerilmektedir.
Özet (Çeviri)
In this dissertation, the use of optical microresonators for different optofluidic sensing applications is investigated. Optical microresonators or microcavities are structures, that support specific resonances, known as optical whispering gallery modes (WGMs). The confinement of light in these cavities is due to the successive total internal reflections since the refractive index (RI) of the structures is higher than the surrounding medium. This process allows the detection of changes in the refractive index or the diameter of the cavity. The evanescent tails of the WGMs extend around a few hundreds of nanometers outside the cavity. Therefore, changes in the refractive index of the environment can also be detected. As a result, microcavities can be used as highly sensitive sensors. The principle behind these sensors is based on tracking the properties of the WGMs such as spectral position, Q-factor, or a combination of them. In this thesis, single mode optical fiber is presented as a potential microcylindrical resonator core. Firstly, bare fiber is demonstrated as a liquid refractometric sensor taking the advantage of WGM spectral shift due to the change in the RI of the surrounding medium. RI sensing experiments with this platform show good agreement with the theoretical predictions. Secondly, a humidity sensor based on a polymer brushes (PBs) coating is presented. PBs are a group of macromolecules, that are densely attached to a surface and show swelling, when they are exposed to vapors. This characteristic is used for a sensitive coating for vapor detection. Unlike the refractometric sensor, in this platform, diameter change as well as RI change of the resonator comes into effect. Thirdly, in the light of these findings, a novel, robust, and easy-to-fabricate highly sensitive hydrogen gas sensor is demonstrated. This sensor is based on a polymer microcylinder ring resonator (PMRR), that combines a sensitive nanofilm of palladium (Pd) metal and a PDMS polymer (Polydimethylsiloxane) layer, that supports WGMs. The parameters affecting the sensor performance, such as nanofilm morphology, the thickness of layers, and real-world conditions, such as the presence of oxygen gas and humidity are investigated. This sensor design with high sensitivity, low limit of detection, comparable response time, high durability and repeatability is placed among the top microresonator-based H2 sensors. Furthermore, in chapter 4, this platform is suggested as a method for H-metal nanofilm interaction studies. Taking Pd as an exemplary metal, the phase transition of the Pd-H system, and the stress release mechanisms in the nanofilm are discussed. Finally, the impact of substrate on H-Pd nanofilm system is investigated in chapter 5. It is shown that, by using a flexible substrate such as PDMS, Pd nanofilm expansion can be hugely increased. This behavior is also in agreement with the performed finite element analysis. Fabrication of the nanofilms requires a high vacuum environment for nanofilm deposition. To skip this step, another microcylinder resonator is presented in chapter 6, in which Pd microparticles are used instead of nanofilm as a sensing material for hydrogen gas. This easy-to-fabricate microresonator shows linear response to H2 and comparable sensitivity along with good reversibility. Suggested sensor platforms in this thesis are potential designs for different gas, liquid, and biosensing applications, that can be further developed for a wider scope and higher sensitivities in the future studies.
Benzer Tezler
- Optofluidic sensing with optical microresonators
Optik mikroçınlaçlar ile opto-akışkan algılamaları
MUSTAFA ERYÜREK
Doktora
İngilizce
2018
Fizik ve Fizik MühendisliğiKoç ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALPER KİRAZ
- Elektro döndürme yöntemi ile elde edilen karbon nanolif ve karbon nanotüplerin karakterizasyonu ve işlevselleştirilmesi
Characterisation and functionalization of electrospun carbon nanofibers and carbon nanotubes
MERVE YILMAZER
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGıda Mühendisliği Bölümü
YRD. DOÇ. FİLİZ ALTAY
- Functionalized nanofiber based scaffold in nerve tissue engineering
Sinir doku mühendisliğinde işlevselleştirilmiş nanofiberlerin kullanımı
İREM AYŞE KANNECİ ALTINIŞIK
Doktora
İngilizce
2017
Biyoteknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMoleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
DOÇ. DR. FATMA NEŞE KÖK
PROF. DR. GAMZE KÖSE
- Development of fiber optical delay line based 10 ghz phase noisemeasurement system
Fiber optik gecikme hattı tabanlı 10 ghz faz gürültüsü ölçüm sistemi geliştirilmesi
BİLGEHAN PARAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKMEL ÖZBAY
- A fiber optic loop memory structure based on optical code division multiple access
Optik kod bölmeli çoklu erişime dayalı bir fiber-optik dönel hafıza yapısı
ERTAN ZENCİR
Yüksek Lisans
İngilizce
1997
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RÜYAL ERGÜL