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C04 - Resonate und Interferometrische Optische Sensoren

Leitung:Prof. Zappe und Dr. Willer
Bearbeitung:Meike Hofmann, Elke Pichler und Yanfen Xiao
Laufzeit:2013-2016
Förderung durch:DFG

Die Messung gasförmiger Stoffe mit optischen Methoden ist ein etabliertes Verfahren z.B. für Anwendungen in der (Arbeits-)Sicherheit, dem Umweltmonitoring und der Raumklima­regelung. Allerdings werden diese Messungen nur punktuell durchgeführt, so dass keine Aussagen über die räumliche Verteilung der zu messenden Gase und Konzentrations­verteilungen gemacht werden können. Besonderes Interesse besteht für viele Anwendungen aber gerade an einer räumlich aufgelösten Messung. Erste Ansätze gibt es im Bereich faseroptischer Netzwerke. Die in diesem Projekt angestrebte Funktionalisierung einer Polymerfolie bietet aber weit mehr Möglichkeiten als einfaches Multiplexen mit Fasersensoren, da eine echt zweidimensionale Struktur zur Verfügung steht, in der an strategisch ausgezeichneten Orten entsprechende Sensoren eingebracht werden.

Interferometrische und resonante integriert-optische Strukturen können vorteilhaft zur Übersetzung chemischer oder biologischer Größen in optische Signale verwendet werden. In der unmittelbaren Umgebung eines Wellenleiters kommt es zur evaneszenten Wechsel­wirkung zwischen den zu detektierenden Stoffen und der im Wellenleiter geführten elektro-magnetischen Strahlung. Die daraus resultierende Phasen- oder Resonanzverschiebung kann als empfindliche Messgröße zur Bestimmung der Konzentration von kleinsten Mengen eines Analyts eingesetzt werden.

In der Folie werden Ringresonatoren und Mach-Zehnder Interferometer integriert-optisch durch single-mode-Wellenleiter realisiert, deren Kern in gezielten Bereichen der Wechselwirkung mit der Umwelt ausgesetzt ist. Durch Sensibilisierung dieser freien Oberflächen mit Rezeptoren oder funktionellen Strukturen werden gezielt und selektiv die gewünschten chemischen Stoffe adsorbiert, die dann mit dem evaneszenten Anteil des optischen Feldes wechselwirken und seine Eigenschaften beeinflussen: Eine durch die Adsorption herbeigeführte Änderung des effektiven Brechungsindex des Wellenleiters führt beispielsweise zu einer Verschiebung der Resonanzfrequenz bzw. einer Änderung des Interferenzsignals, so dass ein konzentrationsabhängiges Messsignal generiert wird.

Für beide Sensortypen ist die Nutzung von single-mode Wellenleitern unerlässlich. Daher konzentrierten sich die ersten Arbeitspakete auf  die Simulation und das Design von geeigneten Wellenleiterstrukturen in Polymermaterialien. Hierbei wurden inververtiere Rippenwellenleiter und Streifenwellenleiter untersucht. In den Abbildungen 1 und 2 sind der geometrische Aufbau bzw.Simulationsergebnisse der transmittierten Leistung für beide Sensoren gezeigt. In Kooperation mit den Teilprojekten B01, B02 und S01 konnten bereits erste invertierte Rippen- und Streifenwellenleiter hergestellt werden (vgl. Abb. 3), die aktuell charakterisiert werden, um Struktur und Design weiter zu optimieren und die Empfindlichkeit der Sensoren zu steigern. Für beide Ansätze gleichermaßen essentiell ist die Funktionalisierung der Oberfläche, um eine sensitive und vor allem selektive Wechselwirkung zu erzielen. Derzeit werden Thiophenoligomere synthetisiert, die bereits an der TU Braunschweig in „elektronischen Nasen“ eingesetzt wurden, um zu überprüfen, ob sie bei Wechselwirkung mit der Zielspezies eine hinreichende Änderung des effektiven Brechungsindex bewirken. Es erfolgen systematische Untersuchungen der Eignung von Strukturierungen und Beschichtungen mit speziellen Rezeptoren  und bestehende Beschichtungsverfahren werden an die verwendeten Polymere adaptiert.

In einer späteren Förderperiode werden Arrays von Sensoren erstellt, die dann eine gleichzeitige Messung von mehreren Spezies und ein sicheres Ausschließen von Querempfindlichkeiten ermöglichen.

 

 

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