Optická vlákna a vláknové sensory. I. Kašík Ústav fotoniky a elektroniky, AVČR, v.v.i.

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Optická vlákna a vláknové sensory. I. Kašík Ústav fotoniky a elektroniky, AVČR, v.v.i."

Romana Staňková
před 5 lety
Počet zobrazení:

1 Optická vlákna a vláknové sensory I. Kašík Ústav fotoniky a elektroniky, AVČR, v.v.i.

2 Fotonika Věda zabývající se vlastnostmi a využitím fotonů => SVĚTLO c = m/s λ f = c /λ c λ f rychlost světla vlnová délka frekvence

3 Komunikace světlem - EM spektrum Vlnová délka [m] Kosmické záření Gamma záření X záření UV Viditelná oblast IR Mikrovlny TV Radio Elektrické pole MHz 1 khz Frekvence [Hz] f = c / λ 0000

4 Totální odraz - princip Snellův zákon n 2 < n 1 α L =90 sinα D n = 1 sin 90 α L n 2 n 1 α D =α C α O α O = α D sinα C = n 1 / n 2

5 Optické vlákno Dielektrická struktura, délka >> poloměr, totální odraz : n jádro > n obal Snellův zákon n 2 Index lomu (n=c/v) Vakuum 1 Vzduch 1,0003 Voda 1,330 Křemenné sklo 1,457 n 1 n 1 > n 2

6 Optické vlákno Snell Willebrord 1626 Tyndall John 1853 František Křižík, 1891

7 Podmínka : čistota materiálu ( útlum-ztráty) Útlum optických vláken - nejlepší vlákna 0.2 db/km ~ po 1 km se ztratí jen 5% výkonu - 3 mm okenního skla odpovídají cca 2 km optického vlákna Charles K. Kao ½ Nobelovy ceny 2009 velmi čisté materiály FO Optipur obsah nečistot v řádu ppb = 10-9 ULTRA ČISTÉ TECHNOLOGIE

8 Příprava optických vláken Tažení MCVD preforma AV ČR: 1981 Corning : 1974.

9 MCVD Preforma 1. Depozice vrstev 2. Kolaps SMĚS PLYNŮ SKLO - PREFORMA O + 2 SiCl 4 destilovaný SiO 2 Skelné vrstvy Substrátová trub ka 1700 C 2100 C Depozice z plynné fáze : destilované (čisté) výchozí látky Vysokáčistota (~ 10 1 ppb nečistot), vysoká přesnost (>1 %)

10 MCVD Preforma Depozice vrstev Kolaps preformy Destilované halogenidy Preformy

Tažení optického vlákna z preformy Průměr vlákna 80-1000 μm Teplota

11 Tažení optického vlákna z preformy Průměr vlákna μm Teplota C NE tkaní (textil) NE rozvlákňování (skelná vata, nanovlákna)

12 Použití optických vláken Telekomunikační vlákna (kabely) Vláknové senzory Medicína, životní prostředí... Vláknové lasery, zesilovače Telekomunikace i hrubá síla Speciální vlákna

13 Telekomunikace VÚSU Teplice, Hesfibel GI - mnohavidové SM - jednovidové 200 km komunikační linka - test

14 Speciální vlákna pro telekomunikace : Vláknové lasery a zesilovače zdroj signálu vlákno zesilovač detektor 100 km čerpací zdroj Vláknový laser

15 Vláknové lasery -telekomunikace s vysokým výkonem Svařování a řezání < 2kW totál ní zrcadlo Aktivn í medium Plyn,, kapalina Pevná látka polopropustné * polovodič zrcadlo * sklo * OPTICKÉ VLÁKNO Er- fiber laser, pulzní 197 fs, 5m rezonátor Liekki Intenzita světla Slunce 63 MW/m2 O. vlákno 12.7 GW/m2

+ na nepřístupných místech, ( remote sensing ) + rozprostřená,

16 Vláknové sensory Zdroj Detektor Malá zařízení pro kontinuální monitorování (bio)chemických látek a jejich koncentrace Zdroj Detektor + na nepřístupných místech, ( remote sensing ) + rozprostřená, mnohabodová nebo lokální + vhodná pro explozivní, snadno hořlavé látky + v místech s VN

požáry Detekce : 1. kontinuální (24/7) 2.

17 1. Refraktometrický sensor uhlovodíků Systémy včasného varování - havárie - trvalé úniky, eko-zátěže - přehřátí, požáry Detekce : 1. kontinuální (24/7) 2. rozprostřená mnohabodová 3. požárně bezpečná 4. rychlá 5. cenově přijatelná => vláknově-optická

18 1. Refraktometrický sensor uhlovodíků detekční vrstva n 3 n > n 3 1 obal n 2 jádro n 1 n >> n 3 1 Čím větší index lomu detekované látky, tím méně prošlého světla

19 1. Refraktometrický sensor uhlovodíků Speciální vláknové povlaky a struktury Svazek Limit detekce ~ 3-5 mg/l (EU normy) Časová odezva ~sekundy

20 2. Detekce ph in vivo v bio-vzorcích Zdroj Kapky, tkáně, buňky Detektor FLUORESCENCE Detekce ph pomocí fluorescenčního převodníku

21 2. Detekce ph in vivo v bio-vzorcích Fluorescence HPTS + Ru-phen Excitace λ=475 nm Chyba stanovení pro ph <6; 9> je 0.2 (ph metr ±0,08)

22 2. Detekce ph in vivo v bio-vzorcích Excitace 450 nm Int518 (au) time (s) Časová odezva ~15-20 s, stabilita v rámci hodin. Upgrade.

23 2. Detekce ph in vivo v bio-vzorcích Exudát ovsa Ø 18 µm 6 µ l ph kapky objem STD ph ~0.3

24 2. Detekce ph in vivo v bio-vzorcích Kořen Arabidopsis Thaliana a buňky BY-2.

25 2. Detekce ph in vivo v bio-vzorcích

26 I TY se staň UFEm! STUDIUM (PGS, post-doc) ČVUT FJFI, FEL UK MFF, PřF VŠCHT PROJEKTY - partneři CZ MEZINÁRODNÍ SPOLUPRÁCE

27 Literatura - vláknové sensory J.Dakin, B.Culshaw : Optical Fiber Sensors, Artech House, G.Boisdé, A.Harmer : Chemical and Biochemical Sensing With Optical Fibers and Waveguides, Artech House, London, 1996 K.T.V.Grattan, B.T.Meggitt: : Optical Fiber Sensor Technology, Vol.4, Kluwer, 1999 F.Baldini, A.N.Chester, J.Homola, S.Martelluci, Optical chemical sensors, Springer 2006

Literatura & média J. M. Senior : Optical fiber communications - Principle and practise, Pearson Education Limited, Harlow, England, 2009. A. Mendez, F.T.

28 Literatura & média J. M. Senior : Optical fiber communications - Principle and practise, Pearson Education Limited, Harlow, England, A. Mendez, F.T. Morse : Specialty optical fibers handbook, Elsevier Science & Technol, USA, 2006 J. Schrofel, K. Novotný : Optické vlnovody, SNTL, 1986 Saaleh, Fotonika (1-4), Matfyzpres Československý časopis pro fyziku 1/2010, 4-5/2010, 1/2011 Jemná mechanika a optika 55 (2010) Sdělovací technika 3/2011 Panorama 21. století 3/2012 ČT2 PORT : Co dokážou lasery - 29/9/2010 ČT2 Věda a vědci : Zkrocené světlo - 6/10/2010 ČT1 České hlavy 10/2/ Optická detekce... (2012)

29 Děkuji za pozornost Poděkování Týmu UFE a za finanční podporu EU Commission Akademie věd ČR Grantová agentura ČR Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy ČR

Podobné dokumenty

Optická vlákna srdce vláknových laserů. I. Kašík Ústav fotoniky a elektroniky, AVČR, v.v.i.,

Optická vlákna srdce vláknových laserů I. Kašík Ústav fotoniky a elektroniky, AVČR, v.v.i., www.ufe.cz Vláknový LASER Optické vlákno & LASER & => vláknový laser [fastcompany.com] [Wiki.cz] LASER - stimulovaná