Share
الكشف عن البخار الكيميائي بحساسية عالية المستند على مقياس التداخل لليف البلوري الفوتوني == Chemical vapor detection with high sensitivity based on Photonic crystal fiber interferometer
Author name:
رواء كاظم زرزور
Supervisor name:
حنان جعفر طاهر
General topic:
Laser Science
Specific topic:
Laser Applications in Physics
Degree:
Master
University:
University of Baghdad - Laser Institute For Postgraduate Studies
Language:
English
University location:
Baghdad
First pages:
29T187 - p.pdf
Abstract:
استخدمت مقاييس تداخلات الالياف البلورية الفوتونية في العديد من تطبيقات التحسس. في هذا البحث, تم استخدام الالياف البلورية الفوتونية ذو القلب الصلب المستندة على مقياس تداخل ماخزندر, الذي يسلك حساسية عالية لمعامل الانكسار ومختلف المركبات العضوية المتطايرة، من دون الحاجة الى اي مواد قابلة للاختراق. مقياس التداخل المدمجة ,القوية ويتكون من نهاية ليف بصري بلوري ,الليف البصري البلوري مرتبط مع الليف التقليدية ذات النمط المنفرد ((SMF - 28هذا الارتباط يكون باقل خسارة dB(0.19) في منطقة الارتباط فتحات فراغات الليف تنهار كليا, وتسمح بلتهيج واعادة التركيب للانماط القلب والغلاف .وفي منطقة الارتباط الانماط الاساسية لليف البصري التقليدي تبدا بالحيود عندما تدخل الجزء المنهار من منطقة الارتباط لليف البلوري الفوتوني . بسبب الحيود ، يوسع النمط ويسمح لاثارة نمطين رئيسيين في نهاية اليف البصري الفوتوني.الجهاز يعكس الطيف ويظهر نمط تداخل كدالة جيبية التي تظهر ازاحة بالطيف البصري بشكل مختلف عندما تتسل جزيئات المركبات العظوية المتطايرة الى فتحات الليف البصري البلوري. استخدم ليزر دايود كمصدر ضوئي وبطول موجي 1550 nm ، حيث تم استخدام محلل الطيف الضوئي (OSA) الحساس للغاية في رصد وتسجيل الطيف المنعكس. استخدم ثلاثة انواع من السوائل الكيميائية (N - الهكسين، الميثانول وبروبانول)، كل هذه السوائل الكيميائية وابخرتها لها شفافية عالية في منطقة الطيف المرئي والمنطقة تحت الحمراء القريبة. في هذه التجربة، وجدنا افضل زمن الاستجابة لهذا المتحسس هو من (30 - 35) ثانية لكميات قليلة جدا من هذه السوائل، كما تم دراسة تاثير طول المتحسس على قيمة الازاحة للطول الموجي ، تم اختبار خمسة اطوال مختلفة من PCF ذو القلب الصلب70,50,40,30and 20) nm). حدود الكشف في هذا الجهاز تم من خلالها تسجيل ازاحة في الطول الموجي لنسب من ابخرة مواد كيمياوية تصل لغاية (4.4) nm للبخار الهكسان عندما يكون طول رئس المتحسس (20)mm . في هذا العمل, الحد الاقصى للحساسية التي تم الحصول عليها للمركبات العضوية المتطايرة هي mol \15420 nm في بخار الهكسان .وقد تحققت بعض نتائج المحاكاة باستخدم برنامج COMSOL multiphysics ,تم استخدم هذا البرنامج لتصميم الليف البصري البلوري وايجاد توجيه دايود ليزر 1550 nm داخل الليف البصري البلوري عندما يتغير معامل الانكسار نتيجة لدخول ابخرة المركبات العضوية المتطايرة(هكسان, بروبان, وميثان) وملئها لفتحات الليف. نتائج mulyiphsics COMSOL عندما تسلل ابخرة السوائل الى فراغات الليف البلوري الفوتوني بدلا من الهواء. وعندما يتسلل بخار السائل الى PCF ذو النواة الصلبة (LMA - 10) الذي يؤدي الى تغيير في معامل الانكسار الفعال للPCF، والتي بدورها تؤثر على انتقال ليزر داخل PCF بسبب قيمة معاملات الانكسار للمركبات العضوية المتطايرة. ويظهر نتيجة لذلك ان طاقة طيف انتقال الليزر تخفضت بعد تسلل البخار مع التغير في الطول الموجي المركزي لليزر الدايود. | Photonic crystal fiber interferometers are used in many sensing applications. In this work, an in - reflection photonic crystal fiber (PCF) based on Mach - Zehnder (micro - holes collapsing) (MZ) interferometer, which exhibits high sensitivity to different volatile organic compounds (VOCs), without the needing of any permeable material. The interferometer is robust, compact, and consists of a stub photonic crystal fiber of large - mode area, photonic crystal fiber spliced to standard single mode fiber (SMF) (corning - 28), this splicing occurs with optimized splice loss 0.19 dB. In the splice regions the voids of the holey fiber are completely collapsed, which allows the excitation and recombination of core and cladding modes. The device reflection spectrum exhibits a sinusoidal interference pattern which shifts differently when the voids of the PCF are infiltrated with VOC molecules. Laser diode with wavelength 1550nm has been used as a pump light source, where a highly sensitive optical spectrum analyzer (OSA) was used to monitor and record the reflected spectra. Three types of chemical liquids used (N - Hexane, Methanol and Propanol), all of these chemical liquids and their vapor have a high transparency for visible and NIR spectrum. In this experiment, we found the best response time to this sensor is from (30 - 35) sec for very few quantities from these liquids which approximately measured in microliter, also it was studied the effect of the length of the head sensor on the volume of shift of the wave length, five different lengths of solid core PCF (LMA - 10) (70,50,40,30, and 20) mm were tested.The detection limits of our device associated with the maximum shifts of the wave length is 4.4nm for N - Hexane vapour when the length of the head sensor 20mm.In this work, the maximum sensitivity obtained of volatile organic compounds is 15420nm/mol at the vapor of N - Hexane.Some simulation results have been achieved by using the COMSOL mulyiphsics program. It used to design the photonic crystal fiber large - mode area and find the guiding of laser 1550 nm at this fiber when change the refractive index cladding of the photonic crystal fibers by filling the hole of cladding in vapor of (N - Hexane, propanol, methanol) at 1550 nm, The results of the COMSOL mulyiphsics when infiltration of the air holes for the PCF by vapor liquids instead of air, due the change value of the effective refractive indices of the VOCs, the power of the transmission spectrum of laser decreased after infiltration with change in the center wavelength of the laser diode
