Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity
Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium
Przygotuj się do egzaminów
Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity
Otrzymaj punkty, aby pobrać
Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium
Społeczność
Odkryj najlepsze uniwersytety w twoim kraju, według użytkowników Docsity
Bezpłatne poradniki
Pobierz bezpłatnie nasze przewodniki na temat technik studiowania, metod panowania nad stresem, wskazówki do przygotowania do prac magisterskich opracowane przez wykładowców Docsity
kluczowe dla potencjalnych zastosowań w spektroskopii. Łatwość w modyfikacji tych parametrów powoduje, że światłowody mikrostrukturalne mogą być środowiskiem ...
Typologia: Notatki
1 / 132
Ta strona nie jest widoczna w podglądzie
Nie przegap ważnych części!
Streszczenie
Niniejsza praca poświęcona jest zastosowaniom światłowodów mikrostrukturalnych w spektroskopii. W szczególności rozważana jest przydatność światłowodów z zawieszonym rdzeniem w spektroskopii absorpcyjnej UV-Vis cieczy. Praca ta, zrealizowana w w Zakładzie Fotoniki Uniwersytetu Jagiellońskiego, jest pierwszą pracą doktorską na temat światłowodów mikrostrukturalnych w tej grupie. Zainteresowanie tą tematyką uwarunkowane było wieloletnim doświadczeniem pracowników Zakładu Fotoniki w badaniach wykorzystujących różnorodne metody spektroskopowe, a połączenie spektroskopii oraz technik światłowodowych wydawało się być atrakcyjnym z punktu widzenia potencjalnych zastosowań i rozwoju nowych metod badawczych. Należy zaznaczyć, że w czasie opisywanych w tej rozprawie badań, w grupie realizowano również inne prace doktorskie, magisterskie oraz licencjackie, które wspierały niniejszy projekt dodatkową wiedzą oraz doświadczeniem. Zastosowanie światłowodów mikrostrukturalnych w różnych metodach spektroskopii optycznej jest atrakcyjne przede wszystkim ze względu na wydłużenie drogi optycznej, od kilku centymetrów (dla standardowej kuwety) do nawet kilku metrów. W konsekwencji możliwe jest osiągnięcie większej czułości pomiarów w stosunku do tradycyjnych metod spektroskopowych. Dodatkowym atutem jest fakt, że do wypełnienia światłowodu wystarczy mała ilość badanej cieczy, rzędu mikro- lub nawet nanolitrów. Jednak przeniesienie znanych technik spektroskopowych z optyki objętościowej do optyki światłowodowej okazuje się nie być trywialne. Wraz ze zmianą skali układu optycznego do skali „mikro” istotne stają się oddziaływania, które wcześniej nie wnosiły znaczących przyczynków do obserwowanych efektów. W szczególności, substancje znajdujące się w kapilarach światłowodu mikrostrukturalnego mogą adsorbować do powierzchni szkła światłowodu. Oddziaływanie to może wpływać zarówno na intensywność obserwowanej absorpcji, jak i na położenie pasm absorpcyjnych.
Zagadnienie to, będące niezwykle ważne z punktu widzenia stosowania technik absorpcyjnych w światłowodach mikrostrukturalnych, stało się główną motywacją niniejszej pracy doktorskiej. Jednocześnie w pracy tej postawiono sobie za cel odpowiedź na ogólniejsze pytanie, czy światłowody mikrostrukturalne, a w szczególności światłowody z zawieszonym rdzeniem, mogą być stosowane w analitycznych metodach spektroskopowych roztworów (spektroskopia UV-Vis). Praca składa się z dwóch zasadniczych części: Wprowadzenia (rozdziały 1 i 2) oraz Części doświadczalnej (rozdziały od 3 do 8, wraz z dodatkami A i B). Rozdział 1 poświęcono wprowadzeniu czytelnika w zagadnienia światłowodów mikrostrukturalnych, omówieniu ich najważniejszych cech i różnorodnych struktur oraz materiałów, z których mogą być wykonane. W rozdziale 2 opisano techniki spektroskopowe stosowane w światłowodach mikrostrukturalnych. Szczególną uwagę zwrócono na problematykę spektroskopii cieczy oraz oddziaływań pomiędzy cieczą a szkłem światłowodu. W kolejnym rozdziale ( rozdział 3 ) scharakteryzowano strukturę światłowodów z zawieszonym rdzeniem, ich właściwości modowe oraz materiałowe. Następnie ( rozdział 4 ) opisano badane barwniki organiczne (błękit bromofenylowy- barwnik anionowy, fenoksazyna- barwnik kationowy) oraz rozpuszczalniki. W rozdziale 5 przedstawiono układ eksperymentalny wraz z systematyką przeprowadzanych pomiarów. Rozdział 6 poświęcony jest badaniom absorpcji UV-Vis roztworów błękitu bromofenylowego oraz fenoksazyny wykonanych w światłowodach mikrostrukturalnych ze szkła krzemionkowego. Pokazano, że w takich światłowodach fenoksazyna, w przeciwieństwie do błękitu bromofenylowego, wykazuje adsorpcję do powierzchni szkła, a wyniki te potwierdzono metodami fluorescencyjnymi. Sformułowano teże, że za adsorpcję odpowiedzialny jest kationowy charakter fenoksazyny. W rozdziale 7 , przedstawiono analogiczne pomiary absorpcyjne jak w rozdziale 6, ale wykonane dla światłowodów ze szkieł krzemianowych (o składzie chemicznym różnym od składu szkła krzemionkowego). Dowiedziono, że w szczególnym typie szkła światłowodu fenoksazyna nie adsorbuje do powierzchni światłowodu. Obserwowane efekty adsorpcji fenoksazyny do powierzchni tylko niektórych szkieł potwierdzono za pomocą badań fluorescencyjnych wykonanych dla kapilar o kilkukrotnie większej średnicy od średnicy kapilar badanych światłowodów ( rozdział 8 ). Wyniki te zebrano i podsumowano w rozdziale Wnioski końcowe. Ponadto, w dodatku A opisano badania absorpcyjne dwóch innych barwników (kationowego i anionowego) wykonane w światłowodach ze szkła krzemionkowego. Wyniki te potwierdzają, że adsorpcji podlegają barwniki kationowe, anionowe zaś nie adsorbują do powierzchni szkła światłowodu. W dodatku B opisano szczegóły techniczne konfokalnego mikroskopu fluorescencyjnego używanego w eksperymentach.
1 Światłowody mikrostrukturalne
Badania spektroskopowe w światłowodach mikrostrukturalnych to stosunkowo nowe zagadnienie z dziedziny nauki i techniki wykorzystującej światłowody posiadające wewnętrzną mikrostrukturę. Budowa tych światłowodów, materiał z jakiego są zrobione, czy ich właściwości fizyczne są kluczowe dla potencjalnych zastosowań w spektroskopii. Łatwość w modyfikacji tych parametrów powoduje, że światłowody mikrostrukturalne mogą być środowiskiem niezwykle różnorodnym pod względem właściwości. Tematyka ta przedstawiona zostanie w kolejnych podrozdziałach. Sama technika światłowodowa i modelowanie jej procesów nie stanowią tematyki niniejszej pracy, dlatego w tym rozdziale przedstawione zostaną tylko wnioski jakościowe, istotne dla zastosowania technik światłowodowych w spektroskopii. Pozwoli to czytelnikowi na ogólne zapoznanie się z tematyką niniejszej pracy.
Światłowód, w ogólnym znaczeniu, to struktura pozwalająca na prowadzenie elektromagnetycznej fali świetlnej. W niniejszej pracy jako światłowód będziemy rozumieli światłowody włóknowe. Technika światłowodowa to dobrze już rozpowszechniona, lecz wciąż żywo rozwijająca się, dziedzina nauki. Komercyjne światłowody wykorzystywane są obecnie przede wszystkim w telekomunikacji, ale korzystają z nich również i inne dziedziny, np. medycyna.
we włóknie [5]. Zmieniając bowiem materiałowe i strukturalne parametry światłowodu możemy kształtować w bardzo szerokim zakresie jego właściwości optyczne (np. zakres transmitowanych długości fal), mechaniczne (np. reakcję materiału na naprężenia) czy fizykochemiczne (np. funkcjonalizacja powierzchni do zastosowań biochemicznych). Ponadto światłowody o budowie kapilarnej pozwalają na wypełnienie pustych przestrzeni różnego rodzaju substancjami, cieczami lub gazami. Właściwość ta umożliwia rozwój nowych technik spektroskopowych, o czym mowa będzie w dalszej części tej rozprawy. Światłowody mikrostrukturalne, MOF (z ang. microstructured optical fibres ), nazywane w literaturze także światłowodami fotonicznymi, PCF (z ang. photonic crystal fibres ), zwyczajowo dzieli się na dwa podstawowe rodzaje. W pierwszym światło prowadzone jest w rdzeniu o wyższym współczynniku załamania światła a płaszcz ma niższy współczynnik załamania światła lub niższy zmodyfikowany współczynnik załamania światła (zdefiniowany w podrozdziale 1.2). Drugą klasą światłowodów mikrostrukturalnych są światłowody prowadzące światło w rdzeniu o niższym współczynniku załamania światła niż płaszcz. Zjawisko to zostanie opisane w podrozdziale 1.3. Ze względu na szczególne właściwości tej klasy światłowodów nazywa się je światłowodami z fotoniczną przerwą wzbronioną, PBGF (z ang. photonic bandgap fibres ). Środowisko naukowe nie stosuje jednoznacznego nazewnictwa opisywanych światłowodów. Zazwyczaj nazwa "światłowody mikrostrukturalne" jest używana zamiennie z nazwą "światłowody fotoniczne" w znaczeniu światłowodów posiadających pewną mikrostrukturę, niekoniecznie periodyczną. Nazwa "światłowody z fotoniczną przerwą wzbronioną" natomiast wskazuje jednoznacznie na strukturę periodyczną z fotoniczną przerwą, nazywaną również "kryształem fotonicznym" [6].
Jak już wspomniano, rozwój światłowodów mikrostrukturalnych rozpoczął się w latach dziewięćdziesiątych XX wieku. Na początku były to włókna prowadzące światło w rdzeniu za pomocą zjawiska przypominającego propagację w konwencjonalnych światłowodach telekomunikacyjnych [ 2 ]. W światłowodzie przedstawionym na rysunku poniżej (Rys. 2 ) rdzeń światłowodu wykonany jest ze szkła krzemionkowego i otoczony jest układem kapilar. Z uwagi na złożoność struktury, trudno jest opisać propagację światła w światłowodach tego typu. Dlatego też, do opisu jego właściwości optycznych stosuje się pewne przybliżenia. Obecność powietrznych kanałów można uwzględnić poprzez wprowadzenie wielkości nazywanej zmodyfikowanym współczynnikiem załamania światła. Stanowi on uśrednienie współczynnika załamania światła w określonym obszarze. Tym samym, otrzymujemy wyższą wartość zmodyfikowanego współczynnika załamania światła dla rdzenia niż dla płaszcza. Propagacja światła odbywa się w sposób podobny do propagacji w światłowodach telekomunikacyjnych, a efekt ten jest nazywany zmodyfikowanym całkowitym wewnętrznym odbiciem [ 6 ].
Rysunek 2. a) Zdjęcie pierwszego światłowodu mikrostrukturalnego [ 2 ]. b) Zdjęcie a) z silnie zmienionym kontrastem przez Autorkę dla uwidocznienia struktury światłowodu.
Pojęcie zmodyfikowanego współczynnika załamania światła oraz zmodyfikowanego całkowitego wewnętrznego odbicia ułatwia opis struktury, ale nie daje pełnego obrazu sposobu propagacji światła w światłowodach mikrostrukturalnych. Pomimo wielu podobieństw takich światłowodów ze światłowodami konwencjonalnymi, wykazują one inne właściwości, np. inną strukturę modową. Jedną z ciekawszych cech światłowodów typu MOF jest
a) b)
Rysunek 4. Światłowód mikrostrukturalnym w którym pokazano generację supercontinuum [ 8 ].
Poprzez modyfikację mikrostruktury światłowodu, możliwa jest konstrukcja włókien o różnorodnych właściwościach, nieosiągalnych w światłowodach telekomunikacyjnych. Dla przykładu, modyfikacja struktury umożliwia znaczne zmniejszenie strat zgięciowych, czy uzyskanie dużej dwójłomności światłowodu, niezależnej praktycznie od wpływu temperatury. Co więcej, charakterystyka samej struktury nie musi opierać się na budowie tradycyjnych włókien i schematach utartych przez wiele lat w telekomunikacyjnej technice światłowodowej. Można bowiem wyciągać światłowody o wielu rdzeniach (Rys. 5 a) [ 9 ], o dwóch różnych strukturach płaszcza (Rys. 5 b) [ 10 ], geometrii kwadratowej (Rys. 5 c) [ 11 ], czy liniowej (Rys. 5 d) [ 12 ]. Nie ma przeszkód, by modyfikować samą strukturę już po wykonaniu światłowodu. Możliwe jest to np. poprzez przewężanie (taperowanie) światłowodu, nakładanie warstw wewnątrz dziur, wypełnianie dziur, wypalanie otworów, sklejanie i rozciąganie kapilar światłowodu na ciepło, czy spawanie światłowodów. Wszystko to powoduje, iż światłowody mikrostrukturalne mogą być świetną platformą do wielu różnorodnych badań, w tym badań spektroskopowych.
Rysunek 5. Przykłady struktur światłowodów: a) o wielu rdzeniach [9], b) dwóch różnych strukturach płaszcza [10], c) geometrii kwadratowej [11], d) geometrii liniowej [12].
Jak już wspomniano, spośród światłowodów typu MOF szczególnie wyróżnia się grupa światłowodów prowadzących światło dzięki fotonicznej przerwie wzbronionej (PBGF). Światłowody te nie są istotnym elementem niniejszej rozprawy jednak stanowią ważny element dziedziny światłowodów mikrostrukturalnych. Zasada ich działania zostanie tu jedynie zasygnalizowana z uwzględnieniem najważniejszych cech istotnych dla zastosowań spektroskopowych. Więcej na ten temat można znaleźć w obszernej literaturze poświęconej temu zagadnieniu [13, 14, 15, 16]. Zasadę działania światłowodu typu PBGF najlepiej wytłumaczyć zaczynając od jednowymiarowej (1D) struktury fotonicznej czyli periodycznego układu kolejnych warstw dwóch materiałów o różnych współczynnikach załamania światła (Rys. 6). Padająca na strukturę wiązka światła odbija się i załamuje na kolejnych warstwach. Odpowiednio dobierając parametry takiego układu: współczynniki załamania światła, kąt padania i długość padającej fali, możliwe jest osiągnięcie konstruktywnej interferencji i bardzo wysokiej
c) d)
a)^ b)
Rysunek 7. Światłowód Bragga [17]. a) Widok ogólny przekroju poprzecznego oraz b) powiększenie struktury fotonicznej.
Podobny efekt otrzymamy gdy jednowymiarowy kryształ fotoniczny powielimy kilkukrotnie względem osi obrotu i rozciągniemy wzdłuż otrzymując dwuwymiarową strukturę fotoniczną (Rys. 6 b). Dobierając odpowiednio parametry struktury: średnicę dziur oraz odległość między nimi można spowodować, iż światło nie będzie propagować się w takim krysztale w wyniku istnienia dwuwymiarowej przerwy fotonicznej. Wprowadzając defekt, np. pustą przestrzeń w środku struktury, można uwięzić światło w defekcie, który będzie stanowić rdzeń światłowodu. Takie światłowody nazywamy światłowodami z fotoniczną przerwą wzbronioną (PBGF). Ze względu na trudności techniczne przy produkcji takich światłowodów, pierwszy szklano-powietrzny światłowód PBGF prowadził światło w obszarze o wyższym współczynniku załamania światła [18]. Jednak dalszy rozwój technologii zaowocował wytworzeniem światłowodu prowadzącego światło w rdzeniu powietrznym (Rys. 8 a) [ 19 ]. Znane są również struktury cało-szklane, składające się z dwóch rodzajów szkła i nazywane światłowodami typu SOHO (z ang. all-solid holey fibre ) (Rys. 8 b) [ 20 ].
Rysunek 8. Światłowody z fotoniczną przerwą wzbronioną: a) światłowód z rdzeniem powietrznym [19], b) światłowód dwuszklany typu SOHO [20].
a) b)
a)^ b)
Zazwyczaj światłowody z fotoniczną przerwą wzbronioną transmitują światło o wąskim zakresie spektralnym. Chcąc poszerzyć zakres transmitowanych fal można użyć zmodyfikowanej struktury, nazywanej kagome (Rys. 9) [ 21 ]. Taki światłowód nie posiada wprawdzie fotonicznej przerwy wzbronionej, ale światło jest prowadzone w rdzeniu powietrznym dzięki istnieniu pewnej struktury rezonansowej.
Rysunek 9. Światłowód typu kagome [21].
Opisywane struktury fotoniczne pod pewnymi względami przypominają strukturę elektronową w krysztale. Do jej opisu można posłużyć się metodami wzorowanymi na obliczeniach z dziedziny fizyki ciała stałego. W szczególności korzysta się z metody rozwiązywania zagadnienia własnego, analogicznie jak w rozważaniach kwantowo-mechanicznych, z tą różnicą, że zamiast równań Schrödingera rozważane są równania Maxwella. Tak samo jak w teorii ciała stałego, dla tych częstości, które w wyniku interferencji nie są propagowane w strukturze, mówi się o istnieniu fotonicznej przerwy wzbronionej. Ponieważ zależność energii rozwiązań własnych od wektora falowego również układa się w strukturę pasmową, tak więc używając nazewnictwa z teorii ciała stałego, mówi się o pasmach fotonicznych. Korzystając dalej z analogii, można opisać taką strukturę pasmową za pomocą funkcji Blocha, a ogólne rozwiązanie może zostać przedstawione za pomocą zredukowanych stref Brillouina. Szczegóły takiego opisu można znaleźć w przytaczanych już wcześniej podręcznikach [ 14 , 15 , 16 ].
