Hollow Core Photonic Bragg Fibers for Industrial Sensing Applications

Le rôle de plus en plus important des senseurs optiques dans une multitude d'applications scientifiques et industrielles, incluant la détection biologique, le diagnostic médical, l'industrie alimentaire, le contrôle des procédés et le monitoring environnemental, a mené à un regain de vitalité dans les efforts de recherche et développement dans ce domaine. Pour ces senseurs, la fibre optique peut être une technologie prometteuse en raison de ses nombreux avantages tels que la portabilité, la protection face l'interférence électromagnétique, la possibilité de les utiliser dans des environnements explosifs, ou encore celle d'avoir une mesure quantitative et qualitative continue. Aujourd'hui, une vaste gamme de senseurs à fibre optique a été proposée et développée. Cependant, la plupart de ces senseurs fonctionnent sur la base d'un couplage évanescent des modes de réflexion totale interne (RTI) à proximité de l'analyte. Ceci comporte plusieurs désavantages, tels que le faible chevauchement du mode avec l'analyte, une distance de sensibilité plus petite, le besoin d'apporter des modifications complexes à la fibre, ainsi qu'une faible robustesse mécanique de la fibre. Afin de surmonter ces limitations et simplifier l'implémentation pratique, dans cette thèse, nous proposons l'utilisation de fibres de Bragg à coeur creux opérant dans des plages fréquentielles distinctes (le visible et les térahertz) pour effectuer de la réfractométrie dans des analytes liquides et de surface. Nous mènerons des analyses théoriques et des caractérisations expérimentales des guides d'onde proposés et nous étudierons leur potentiel d'applications dans une variété de domaines industriels. Dans la première partie de la thèse, nous explorerons la capacité d'utiliser des fibres de Bragg à coeur creux dans le visible pour simultanément détecter la partie réelle et imaginaire de l'indice de réfraction d'analytes liquides. Ce senseur de Bragg est constitué d'un large coeur creux (diamètre d'environ 0.7 mm) entouré de couches alternantes de polymethyl methacrylate (PMMA)et de polystyrènse (PS) qui agissent essentiellement comme des réflecteurs de Bragg. Nous utiliserons ce senseur pour le monitoring de la concentration de liquides de refroidissement commerciaux. La stratégie de détection s'appuie sur une double mesure de la position spectrale du centre de la bande interdite et sa transmission en amplitude. Les deux mesures sont hautement sensibles à l'indice de réfraction de l'analyte qui sera introduit dans le coeur creux du guide d'onde. Ceci permettra de déterminer la concentration des liquides de refroidissement.

Abstract

The expanding role of optical sensors in numerous scientific and industrial applications，including biosensing, medical diagnostics, food industry, process control, and environmental monitoring, has led to a growth of research and development efforts in this field. Optical fibers can be used as a very promising platform for these applications, due to many appealing properties such as compactness, high degrees of integration, safety in explosive environments and potential to provide real time and remote analysis. To date, a wide range of fiber-optic sensors have been proposed and developed. Most of these sensors, however, use an evanescent coupling of total internal reflection guided modes to the test analytes, which typically suffers from many disadvantages, such as poor modal overlap with the analytes, limited probing length, as well as complicated fiber modifications and poor mechanical robustness in fiber structures. In order to circumvent these limitations and simplify the practical sensing implementation, in this thesis, we study using hollow-core Bragg fiber sensors operating in different frequency ranges (i.e., visible and terahertz range) for bulk refractometry of liquid analytes and surface sensing applications. We then carry out the theoretical and experimental characterizations of the proposed sensors, and study their applications in various industrial fields. In the first part of the thesis, we explore the capability of using the hollow-core Bragg fibers operating in the visible range to simultaneously monitor both the real and imaginary parts of liquid analyte refractive index. The Bragg fiber sensor features a large hollow core (diameter: ~0.7mm) surrounded by an alternating polymethyl methacrylate (PMMA)/polystyrene (PS) multilayer as a Bragg reflector. We then apply this fiber sensor to monitor the concentrations of various commercial cooling oils. The sensing strategy relies on a two-channel sensing modality that simultaneously interrogates the bandgap center position of the Bragg fiber as well as the fiber transmission amplitude at the bandgap center. Both measurands are highly sensitive to the complex refractive index of the analyte filled in the fiber core, thus enabling efficient determination and cross correlation with the concentration of cooling oils. The presented fiber sensor inherently integrates optical detection with microfluidics without any fiber modifications, thus allowing for real time monitoring of the concentrations of many industrial fluids, such as heat transfer fluids, sawing fluids, and other industrial dilutions with sub-1%v accuracy.