Teza Andries Dumitru Gr.isbm 141 [303042]

CUPRINS

INTRODUCERE………………………………………………………………………………….3

I. Senzori cu fibra optică în aplicații biomedicale

1.1. Studiul literaturii la tema „Senzori cu fibra optică”………………………………4

1.2. Clasificarea senzorilor cu fibră optică……………………………………………….5

1.3. Senzorii biomedicali cu fibra optica…………………………………………………12

1.4. Senzorii plazmonici cu fibra optica pentru aplicatii biomedicale…………..15

1.5. Concluzii și formularea obiectivelor tezei de licență……………………………19

II. TEHNOLIOGIA DE OBTINERE A FIBRELOR OPTICE. MASURAREA PERDERILOR OPTICE

2.1. Tehnologia de obtinere a fibrelor optice………………………………………….21

2.2. Măsurarea pierderilor optice totale într-o fibră optică
prin metoda de frângere……………………………………………………………….24

III. [anonimizat], SI OBTINEREA STRUCTURILOR CU FIBRA OPTICA PENTRU CERCETARI EXPERIMENTALE

3.1. Înregistrarea distribuției indicelui de refracție prin metoda
câmpului apropiat……………………………………………………………………………27

3.2. Caracterizarea fibrelor optice prin metoda câmpului indepărtat …………30

3.3. Cercetări experimentale prin metoda câmpului îndepărtat pentru elaborare unor senzori………………………………………………………………………………………34

IV.ARGUMENTAREA ECONOMICA……………………………………………………………..42

4.1. Descrierea generalizată a proiectului………………………………………………….42

4.2. Planul calendaristic de elaborare a proiectului……………………………………..42

4.3. Resursele de muncă…………………………………………………………………………45

4.4 Analiza SWOT………………………………………………………………………………….46

4.5. Argumentarea economică…………………………………………………………………47

4.6. Importanța…………………………………………………………………………………………..51

V. Concluzii si Recomandari……………………………………………………………….51

Bibliografie…………………………………………………………………………………………………52

INTRODUCERE

Fibrele optice au capatat o [anonimizat], etc.. Fibrele optice posedă o serie de avantaje importante în comparație cu liniile de telecomunicatii tradiationle. Avantajele, [anonimizat], posibilitatea de transmitere a [anonimizat], [anonimizat].. [anonimizat]. [anonimizat], [anonimizat], al chimicalelor și al altor industrii.

O importanta deosebită o au fibrele optice pentru aplicații în medicină . [anonimizat]u, în cabluri optice coerente pentru transmiterea imaginii la investigații a suprafețelor organelor interne a corpului omenesc. Endoscopul cu fibra optică permite în timp real vizualizarea în detalii a țesuturilor organelor interne.

Fibrele optice au capătat o larga raspîndire în medicină și pentru realizarea unui șir întreg de senzori, pentru controlul diferitor parametrii biochimici. In contextul cercetării și elaborarii unor noi senzori pentru aplicații biomedicinale, caracterizarea fibrelor optice permite obținerea informației necesare referitor la parametrii lor tehnici.

In cele ce urmeaza vom prezenta doua metode, care sunt folosite pentru caracterizarea fibrelor optice – metoda câmpului îndepartat si metoda câmpului apropiat.

I. STUDIUL DE SINTEZĂ. FORMULAREA PROBLEMEI

1.1. Studiul literaturii la tema „Senzori cu fibra optică”

Senzorii cu fibre optice sunt dispozitive cu fibră optică pentru detectarea unor parametri de exemplu temperatura, deformarea, vibrația, presiunea, accelerația, rotația și concentrația substanțelor chimice. Principiul de funcționare (figura.1.1) al acestor dispozitive este că lumina de un laser transmisă prin intermediul fibrei optice, se confruntă cu o schimbare în caracteristicile sale în fibre sau în una sau mai multe rețele Bragg, și ajungând la detector ne oferă estimările acestor schimbări.

Figura 1.1. Ilustrarea principiului funcționării senzorilor cu fibră optică [1]

În comparație cu alte tipuri de senzori, senzorii cu fibră optică se caracterizează cu următoarele avantaje:

dimensiuni mici;

performanțe înalte de exploatare în medii periculoase și la distanță;

sensibilitate redusă la perturbații EM externe;

cost relativ scăzut;

sensibilitate înaltă la semnale incidente de intensități (amplitudini) mici;

domeniu dinamic mare;

rezistența ridicată la radiațiile ionizante;

posibilitatea de multiplexare și control distribuit pe distanțe lungi, etc

Tabelul.1.1. Exemple de parametri fizici care pot fi detectați de către senzorii cu fibră optică [2]

1.2 Clasificarea senzorilor cu fibră optică

Senzorii cu fibră optică pot fi împărțiși în două categorii – senzori intrinseci (figura.1.2-a) și extrinseci (exteriori) (figura.1.2-b). Senzorii intrinseci înseamnă că senzorul este confecționat în interiorul fibrei sau fibra în sine servește drept element de detectare. Senzorii cu fibră optică extrinseci se disting prin caracteristica faptului că senzorul (elementul de detecție) este plasat în afara fibrei [3].

Figura. 1.2 Modelul senzorilor intrinseci (a) și extrinseci (b) pe baza fibrei optice /A.Mendoza/

Ca detectori pot fi folosite elemente în baza materialului semiconductor, membrane de reflecție, rețele de difracție, elemente Fabry-Perot, etc. [4,5].

Pe baza principiului modulării fasciculului luminos, senzorii cu fibră optică pot fi împărțiți în următoarele categorii:

Senzori cu modulație a intensității. În senzorii de fibră optică cu modulație a intensității, schimbarea intensității undei electromagnetice este o măsură a schimbării mărimii fizice măsurate.

Senzori cu modulație de fază. Senzorii cu fibră optica cu modulație de fază (senzori interferometrici) sunt de obicei asociați cu interferența a două fascicule de lumină. Principiul de lucru al senzorilor cu modulatie de faza se bazează pe efectul de modulație al fazei undei electromagnetice a fascicolului de proba, care se propaga prin elementul senzorial.

Senzori cu modulație de frecvență. Acești senzori funcționează pe principiul variației lungimii de undă a luminii transmise. Unul dintre exemplele senzorului cu modulație de frecvență se refera la senzorii cu fibră optică cu rețele de difracție Bragg.

Senzori cu modulație prin polarizare. Senzorii de polarizare cu fibra optica se bazează pe principiul variației polarizării fasciculului sub acțiunea perturbației externe (câmp electric sau magnetic, deformare mecanică etc.).

Senzori cu fibră optică cu modulație de fază sunt utilizați în cazul când este necesară o sensibilitate avansată. Majoritatea senzorilor cu fibră optică cu modulație de fază se referă la senzori intrinseci și utilizează fibre optice monomod. Principiul de funcționare a senzorului de fibră optică cu modulatie de fază este reprezentat în figura 1.3.

Faza ƒ a unei unde electromagnetice a lungimii de undă λ care se propagă de-a lungul fibrei optice pe distanța geometrică L este dată de relația:

=2L/= 2n1 L/ (1.1)

unde n1 este indicele de refracție a miezului fibrei și λ0 este lungimea de undă a radiației în vid. Variația oricărei distanței geometrice sau a unui indice de refracție (datorită variației temperaturii, a deformației, etc.) va produce o variație a fazei undei electromagnetice care se propaga prin fibră:

 (1.2)

Trebuie menționat faptul, că schimbările relativ mici în calea geometrică a fibrei optice dau naștere unor variații substanțiale în faza undelor electromagnetice. În mod similar, variațiile mici în indicele de refracție dau naștere unor variații puternice ale fazei undei electromagnetice. Termenul n1 ΔL + Δn1L reprezintă diferența de cale optică. Acum, pentru a înregistra diferența de fază este necesar să se convertească diferența de fază în amplitudinea undei electromagnetice. Aceasta se realizează prin interferența a două fascicule luminoase. În cazul fibrelor monomode diferența de fază este reprezentată de relația:

 = L + n + g, (1.3)

unde termenii din dreapta sunt legați de modificarea lungimii fibrei optice, indicele de refracție, precum și de geometria fibrei optice. Variațiile de fază sunt convertite în intensitatea semnalului electric prin utilizarea diferitelor configurații de interferometre – Mach-Zehnder, Michelson, Fabry-Perot etc. Fotodetectorul convertește semnalul optic modulat în fază în semnal electric în funcție de relația:

I = A2(1+ m2) + 2mA2cos(φ1- φ2), (1.4)

Sau

I =(A12 + A22 +2 A1A2 cos((φ1- φ2),) (1.5)

unde, A1 = A este amplitudinea complexă normalizată pentru unda electromagnetică 1,
A2 = mA este amplitudinea complexă normalizată pentru unda electromagnetică 2,
iar m este un factor scalar și φ1 și φ2 reprezintă fazele pentru unda 1 și respectiv 2.

Senzor cu fibră optică cu rețele Bragg reprezintă mai degrabă un dispozitiv simplu care constă într-o modulare periodică a indicelui de refracție de-a lungul miezului fibrei. Cuplând lumină în fibră optică se poate efectua multe funcții, cum ar fi reflexia, difracția, filtrarea (spațială, polarizarea etc.) într-o manieră foarte eficientă. Fibrele din sticlă cu rețele Bragg sunt prevăzute să aibă un impact critic atât în domeniul telecomunicațiilor, cât și în domeniul senzorilor de fibră optică.

Figura. 1.4. Formarea rețelei Bragg într-o fibră optică prin iradiere cu raze laser UV [7].

Formarea rețelei Bragg într-o fibră optică prin iradiere cu raze laser UV este prezentată în figura.1.4. Rețeua Bragg din fibră reprezintă ea însăși un filtru de bandă neregulată. Lungimea de undă centrală a spectrului de reflecție este reprezentată de relație [6,7]:

λB = 2eΛ (1.6)

Lungimea de undă Bragg este o funcție pe indicele de refracție și rețele, în timp ce acestea depind de temperatură, deformări de tensiune etc. În consecință, monitorizarea variației lungimii de undă Bragg λB poate controla temperatura sau deformările mecanice. Variația lungimii de undă Bragg λB sub variația de temperatură ΔT poate fi reprezentată ca în [7]:

ΔλB = 2((∂ne/∂T) = ne(∂Λ/∂T)ΔT = λB(α + σ)ΔT (1.7)

unde α = (1/Λ)(∂Λ/∂T) este coeficientul de expansiune termică și σ = (1/ne)(∂ne/∂T) este coeficientul termoptic pentru fibra optica. Variația lungimii de undă λB în cazul deformării mecanice ez poate fi reprezintată ca: ΔλB = λB(1 – pe)ez, unde ex reprezintă deformarea axială și pe este constanta optica efectiva a deformarii [7].

Senzori de fibră optică pe baza metodei Schlieren sunt descriși în [8]. Elementul de bază al acestui senzor este reprezentat de două rețele (figura 1.5). Deplasarea reciprocă a rețelelor mobile conduce la modularea intensității fasciculului luminos care se propagă prin senzor (figura.1.6). Sensibilitatea estimată a acestor senzori așa cum este descrisă de către autori este foarte ridicată ~ 2,5 x 10-3 nm [8].

Figura.1.5. Reprezentare schematica a senzorilor cu fibră optică, care folosesc procedura tehnică Schlieren [8]

Senzori cu fibră optică cu micro-îndoire reprezintă alt grup de senzori cu fibră optică, ce se bazează pe principiul pierderilor optice induse de micro-îndoire fibrei optice. Sa demonstrat că atunci când este indusă o micro-îndoire periodică de-a lungul axei optice a fibrei, intensitatea luminii este cuplată între micro-îndoiri, care au constantele de propagare K și K’ care satisfac următoarei relații [6,9,10]:

K – K’ = ±2π/Λ, (1.8)

unde Λ este perioada de perturbatie mecanică.

Pentru o perioadă de micro-îndoire Λc există o creștere rezonantă a pierderilor optice cauzate de micro-îndoire datorită conversiei modurilor [6,9,10]. Perioada de micro-îndoire critică λc este determinată de diametrul fibrei și de diferența indicelor de refracție: Λc = 2πa/(2Δ)1/2 unde a este diametrul miezului fibrei și Δ se referă la diferența de indice de refracție al miezului ncore și învelișul nclad,Δ=(ncore–nclad)/nclad, [9]. O configurație modificată a senzorilor de fibră optică pe baza modului de conversie indusă de micro-îndoire a fost propusă în [11,12]. Caracteristica de transmisie a acestui senzor de fibră optică este reprezentată în (figura 1.6-b).

Senzori cu fibră optică cu rezonator Fabry-Perot. În interferometrul cu fibră optică Fabry-Perot, interferența are loc pe suprafața fibrei rezultat al reflecției de la o oglindă externă (figura.1.7). Mărimea elementului sensibil bazată pe acest principiu poate fi la fel de mică ca diametrul fibrei, adică aproximativ 0,1 mm, iar sensibilitatea poate atinge nivelul sub-angstrem. Putem folosi pentru astfel de interferometru o sursă optică de coerență scăzută [13]. Semnalul luminos I0 este întrodus în capătul de întrare al fibrei optice. Fascicolul de lumină reflectat de la fața de ieșire a fibrei interferează cu fascicolul de lumină reflectat de oglinda mobilă. Ca urmare a interferenței celor două fascicole luminoase, semnalul I de la fotodetectorul 5 este modulat în funcție de distanța x0 între suprafata de iesire al fibrei optice și oglinda:

I = 2I0(1 + cos(4πx0/λ + φ0)) (1.9)

Deplasarea oglinzii cu ½ din λ dă naștere la o variație de fază egală cu 2π, ceea ce influențează intensitatea luminii asupra detectorului.

Trebuie să menționăm unele dintre cele mai recente evoluții în acest domeniu [14-18]. De exemplu, H. Xiao et. al. [15] au elaborat un senzor de fibră optică bazat pe o fibră de safir, care este capabil să funcționeze la temperaturi de până la 1004 ◦C cu o rezoluție de deformare a tensiunii de 0,2 %. Rezultate similare au fost obtinute de W.Peng, G.R.Pickrell si A.Wang [16], care au realizat un senzor de presiune din fibra optica cu zirconiu cubic pentru functionarea la temperaturi ridicate. O performanță remarcabilă a fost obținută de K.Totsu et. al. [14], care au realizat fibră de presiune ultraminiatură bazată pe interferometrie ușoară (figura1.8).

O ilustrare a răspândirii diferitelor tipuri de senzori cu fibră optică este prezentata în figura 1.9 [19]. Răspândirea largă a senzorilor modulați de intensitate se datorează avantajelor oferite de această categorie de senzori din fibră optică: sensibilitate ridicată, dimensiuni reduse, costuri relativ scăzute, posibilitatea multiplexării, ușurința de funcționare etc.

Un sir întreg de senzori cu fibră optică au fost realizați cu succes nu numai pentru aplicații industriale [20,21], dar in mod specific și pentru aplicații in medicina [22-24]. Printre aceste structuri notăm cele bazate pe rețele Bragg în fibră optică (FBG), cavități Fabry-Perot sau interferometre Fabry-Perot cu cavitate exterioară, interferometre Sagnac, interferometre Mach-Zender, micro-indoieri ș.a. Din toate acestea, cele mai frecvente sunt structurile bazate pe elementele EFPI și FBG.

1.3. Senzorii biomedicali cu fibra optica

Un biosenzor este un dispozitiv analitic ce combină un element biologic de detectare cu un element fizic traductor, în care legătura sau reacția dintre elementul țintă și elementul de recunoaștere este transformată într-un semnal electric măsurabil [25]. Dintre acești, biosenzorii optici sunt puternică alternativă la tehnicile analitice convenționale datorită costurilor eficiente, detectării rapide și portabile, ceea ce face posibilă monitorizarea la fața locului și în timp real fără a fi necesare procedura lungă de pregătire a unei mostre. Biosenzorii optici au aplicații potențiale vaste în domeniul monitorizării mediului, siguranței alimentare, dezvoltării preparatelor farmaceutice, și diagnosticul și tratamentului medical [26].

Senzorii biomedicali cu fibra optica pot fi clasificate în patru categorii principale: fizici, imagistici, chimici și biologici. Senzorii fizici măsoară o varietate de parametri fiziologici, cum ar fi temperatura corpului, tensiunea arterială și deplasarea musculară. Senzorii imagistici cuprind ambele dispozitive endoscopice pentru observarea internă și imagistică, precum și tehnici mai avansate, cum ar fi tomografia de coerență optică (OCT) și imagistica fotoacustică, unde scanările interne și vizualizarea pot fi făcute la fel. Senzorii chimici se bazează pe tehnici fluorescente, spectroscopice și indicatoare pentru a identifica și măsura prezența anumitor compuși chimici și a variabilelor metabolice (cum ar fi pH-ul, oxigenul din sânge sau nivelul glucozei). Acestea detectează speciile chimice specifice în scopuri de diagnosticare, precum și monitorizează reacțiile și activitatea chimică a organismului. Senzorii biologici (vezi Tabelul.1.2)[3]. tind să fie mai complexi și se bazează pe reacțiile de recunoaștere biologică – cum ar fi substratul enzimatic, antigen-anticorp sau receptorul ligand-pentru a identifica și cuantifica molecule biochimice specifice de interes.

În ceea ce privește dezvoltarea senzorilor, senzorii imagistici sunt cei mai dezvoltați, urmați de senzorii de fibră optică pentru măsurarea parametrilor fizici, iar spectru și senzorii pentru detectarea biochimică.

Senzorii biomedicali prezintă provocăria unice de proiectare legatea de interfața lor cu un organism biologic.a Senzorii trebuie să fie siguri, Afiabili, stabili, biocompatibili, supuși sterilizării, să nu fie supuși respingerii biologice și să nu necesitea calibrarea (sau cel puțin să mențină calibrarea pe perioade lungi). Ambalareaa senzorilor este un aspect deosebit dea critic, deoarece dispozitivele trebuie să fie foartea mici – în special cele pentrua implantare sau locație. De asemenea, dispozitivele trebuie să fie cât mai simple posibil.

Aplicațiile pentru senzori biomedicali potA fi clasificate ca in vivo sau in vitro. In vivo se referă la aplicarea pe un întreg organism viu, cum ar fi un pacient uman;a in vitro – la testarea în afara corpului, cum ar fi analizele de sânge de laborator.a Din perspectiva modului în care sunt aplicați unui pacient sau unui sistem biologic, senzorii pot fi clasificați ca neinvazivi, de contact (e.g. suprafața pielii), minim invazivi (locație temporară)a sau invazivi (implantabili). Senzorii biomedicinali pot fi utilizați pentru diagnosticare, terapie, terapiea intensivă, cercetare, dezvoltare preclinică sau teste de laborator. Acești factori condiționează interesul față de producerea cât mai largă comercială:

Tabelul.1.3. Exemplu de senzori biomedicali comerciali pe baza fibrei optice

1.5 Concluzii și formularea obiectivelor tezei de licență

Tehnicile de realizare a senzorilor chimici și biochimici, pe baza dispozitivelor optice și optoelectronice, tind să devină din ce în ce mai utilizate, majoritatea implicând folosirea fibrelor optice. Direcția principală de investigare în acest domeniu o reprezintă dezvoltarea membranelor sensibile din punct de vedere chimic și biochimic, atât pentru mediile lichide, cât și pentru cele gazoase, în ultimul caz lucrându-se, în special, în spectrul de radiație infraroșu. În majoritatea cazurilor de senzori chimici și biochimici cu fibre optice, principalele etape ale conversiei mărimii de măsurat într-o mărime electrică sunt:

I. Transformarea unui semnal electric într-un semnal luminos de excitație cu intensitatea, coerența și lungimea de undă solicitată;

II. Semnalul luminos de excitație influențează (excită, prin intermediul unui fenomen fizic – fotochimic) analitul (mediul chimic sau biochimic de analizat). În cazul fenomenelor de chemiluminescență și biochemiluminescență, aceste prime două etape sunt lipsă;

III. Sub influența semnalului luminos de excitație au loc reacții chimice, urmate de procese de recunoaștere moleculară și de conversie a mărimilor chimice și biochimice în semnale optice, prin utilizarea unor indicatori imobilizați pe corpul senzorului. În cazul, în care nu există un indicator direct pentru analitul studiat, se utilizează analiți intermediari (O2, CO2, straturi bioreactive etc.), cu funcție de indicatori sau substanțe de marcare;

IV. Semnalul optic modulat este convertit într-un semnal electric, cu ajutorul unor fotodetectori și prelucrat electronic, în funcție de modelul matematic al procesului.

Biosenzorii în biomedicina clinică cuprinde tot mai mare spectru de detecția a compușilor vitali sănătății omului ( figura.1.13-14).

Figura.1.14. Domeniile uzuale ale concentrațiilor celor mai importante specii (bio)chimice din sânge [31] .

Un domeniu aparte în senzorica biomedicinală devine tot mai interesant pe baza senzorilor plasmonici cu fibra optică.

Rezultatele promițătoare în domeniul senzorilor au fost realizate pe baza de fibra optică din cuarț sau sticle calcogenice în Laboratorul de Optoelectronică al IFA AȘM [12, 25,]. Aceste prime rezultate, cât și rezultatele altor autori din centre științifice avansate de pe mapamond indică oportunitatea studiului identificării unor senzori plasmonici biomedicali pe baza fibrelor optice cu sensibilități de 10-6-10-7 RIS pentru compuși biochimici din corpul uman.

Din aceste considerente au fost formulate în caietul de sarcini următoarele obiective:

Selectarea și studierea literaturii pe profilul tezei.

Alegerea și argumentarea senzorilor pe baza fibrei optice ca obiect de studiu.

Însușirea metodelor de experimentare din laborator.

Pregătirea obiectului de studiu și petrecerea experimentelor.

Analiza datelor experimentale. Formularea concluziilor privind rezultatele obținute.

Formularea argumentării economice a perspectivei senzorilor cu fibra optică.

Studierea și expunerea cerințelor de securitate a muncii la lucru cu radiații neionizante

II. Tehnoliogia de obtinere a fibrelor optice. Masurarea perderilor optice

2.1. Tehnologia de obtinere a fibrelor optice

Sunt cunoscute diferite metode pentru obtinerea fibrelor optice . Printre acestea cele mai des folosite sunt metoda de filieră și metoda extragerii din bara/preforma .

Metoda creuzetului este utilizată în general pentru obținerea fibrelor din sticle care au punct de topire coborât .

O ilustrație schematica a instalației pentru obținerea fibrelor optice. Folosind aceasta instalație obținem firba optică prin metoda extinderii care este cea mai simpla metoda de a obține fibrele optice. În creuzet se introduce materialul steclos dupa ce creuzetul este plasat în camera de lucru.În camera de lucru se introduce gazul inert ,în cazul concret heliu, care protejază produsul final de oxidare. Cu ajutorul unui cuptor electric sau inductiv creuzetul se încalzește în timp de 10-20 de minute. Fiind dat că creuzetul este din sticlă de cuarți iar materialul steclos reprezintă sticla calcogenică cu temperatura de topire mai scazută fața de creuzet din sticlă de cuarți, sticla calcogenică se topește mai repede și reglînd temperatura și viteza mechanismului de îmbobinare ca rezultat obținem fibra optică fără înveliși cu un anumit diametru.

Instalația de laborator, folosita pentru obținerea fibrelor optice din sticle calcogenice este reprezentata in figura 2.2(a). In figura 2.2(b) este reprezentat mecanismul der bobinare al fibrelor optice. Diametrul fibrelor optice este modificat prin variația temperaturii cuptorului de topire, diametrul filierii, viteza de bobinare, etc. Pentru prevenirea oxidării suprafetei fibrelor optice instalația este prevăzută cu un sistem de circulație a gazului inert (de exemplu, Ar sau He) de puritate înaltă.

In figura 2.3. este reprezentată imaginea fotografică a unor fibre optice din sticlă calcogenică As2S3 fără înveliș, obținute la instalația experimentală de laborator. Fibrelor au fost obținute la temperatura de 400 C, având diametrul 50-150 m. Pierderile obtice, măsurate prin metoda de frîngere, constituie circa ~ 1dB/m la lungimea de undă 1,15 m.

În cazul utilizării unui creuzet dublu (figura 2.5). se pot obținea fibre optice din sticlăacu borosilicat de sodiuasau din sticlă cu borosilicat de sodiu și calciu, acestea fiind caracterizate de atenuări mici pe un domeniu spectral larg dinavizibil până în IR. Practic este aceași metodă creuzetului cum este descris mai sus, deferența este numai în creuzet dublu și temperaturi de lucru mai înalte.

2.2. Măsurarea pierderilor optice totale într-o fibră optică prin metoda de frângere

Atenuarea radiației în fibrele optice reprezintă un factor cu influența majoră în proiectarea sistemelor cu fibre optice. Pierderile sunt puternic dependente de lungimea de undă. Intrucât majoritatea aplicațiilor sistemelor cu fibre optice (telecomunicații, senzori) sunt în spectrul vizibil și infrarosu apropiat, studiul pierderilor se limitează la acest segment spectral.

Mechanismul pierderilor intr-o fibră optică este determinat de mai mulți factori:

absorbția pe impurități;

pierderi prin absorbtie materiala;

pierderi datorate defectelor geometrice;

pierderi datorită împtrăștierii Rayleigh, etc.

Mechanismul pierderilor optice în fibre nu face parte din obiectivul tezei de față din care cauză am facut doar o enumarare a factorilor principali. Pentru o fibră optică omogenă în condiții de echilibru a destribuției modurilor, se determină atenuarea intensității radiației optice pe unitatea de lungime a fibrei

, (2.1.)

unde А() – atenuarea intensității radiației optice la o lungime de undă a fascicolului de probă dintre două secțiuni transversale ale fibrelor 1 și 2, care se afla una față de alta la o distanță L. Valoarea atenuării este:

A() = |4,3ln P1/P2|, (2.2.)

unde Р1 и Р2 – puterea optică a fascicolului de probă care se propagă de-a lungul fibrei în secțiunea transversală 1 și, respectiv, 2.

Condițiile de echilibru a destribuției modurilor pentru propagarea radiației printr-o fibră presupun, în primul rând, astfel de condiții pentru injectarea radiației, care asigură distribuția staționară a modurilor. Cu alte cuvinte, injectarea radiației trebuie să asigure că distribuția modală a radiației de măsurare este independentă de lungimea fibrei. Cu toate acestea, în practică, în special pentru fibrele optice cu o mare apertură numerică, cum ar fi fibrele din sticlă calcogenică, este destul de dificil să se asigure o distribuție staționară a modurilor. Prin urmare, pentru a descrie și compara condițiile de măsurare pentru pierderile optice totale în astfel de cazuri, se obișnuiește să se caracterizeze parametrii principali ai sistemului optic. Acestea includ lungimea de undă a fascicolului de probă, lățimea spectrală a radiației monocromatice, apertura de intrare a fasciculului, lungimea fibrei măsurată și uneori condițiile de îmbinare la receptor de radiații.

Pentru a măsura pierderile optice totale ale fibrelor din sticlă calcogenică, a fost utilizată metoda de frîngere. Aceasta metodă este cea mai raspândită pentru determinarea pierderilor optice, care, în același timp, face posibilă măsurarea coeficientului de atenuare cu o eroare mică. Fascicolul de probă este introdus în capătul de intrare al fibrei, iar la ieșirea fibrei se înregistrează intensitatea fascicolului de ieșire I1. Menținînd condițiile de injectare în fibră constante, fibra optică se frînge la o distanță L de la capătul de ieșire, și apoi se măsoară intensitatea fluxului transmis la ieșirea I2. Coeficientul pierderilor optice totale se determină în conformitate cu urmatoarea relație(2.3) :

(2.3.)

Aceasta se bazează pe ipoteza că coeficientul de absorbție este independent de intensitatea fascicolului, atunci când este respectată legea Bouguer-Lambert liniară.

Schema instalației pentru măsurarea distribuției spectrale a pierderilor optice totale în fibre optice în intervalul 0,6-2 m este prezentată în figura 3.7. Elementele principale sunt un monocromator cu rețea, o sursă de lumina, fibra optica si un receptor, conectat la un amplificator selectiv. Fascicol monochromatic de la ieșirea monochomatorului se focalizează pe capătul de intrare al fibrei optice folosind microobiectiv. Pentru ajustarea fibrei optice este folosit un mecanism de pozitionare fina.

Semnalul optic de la receptor este amplificat de un amplificator selectiv Unipan-237 conectat la un PC. Sursa de radiație este o lampă cu halogen KGM-70, alimentată de la o sursă stabilizata de curent continuu TES-14. Pentru înregistrarea fascicolului de proba la iesirea din fibra optica am folosit o fotodiodă FD-3 (0,6-1,8 m). Capetul de iesire al fibrei optice a fost pregatit prin metoda de frîngere, iar calitatea suprafetei a fost controlată cu ajutorul unui microscop. Eroarea în măsurarea pierderilor optice totale a fost determinată în conformitate cu expresia (2.4):

(2.4.)

unde I1, I2 – intensitatea fascicolului de lumina la iesirea din fibra optica înainte și după frîngere; I1, I2 -respectiv erorile totale măsurării intensității radiației optice; – eroarea în măsurarea lungimii fibrei. Eroarea relativă a măsurării pierderii optice mai mică de 10% este obținută atunci când lungimea segmentului de frîngere atenuează semnalul cu cel puțin 20%

III. INSTALAȚII EXPERIMENTALE, METODOLOGIA ȘI OBȚINEREA STRUCTURILOR CU FIBRA OPTICĂ PENTRU CERCETARI EXPEREMENTALE

3.1. Înregistrarea distribuției indicelui de refracție prin metoda câmpului apropiat

O alta metoda de caracterizarea fibrelor optice este metoda câmpului apropiat. Anterior a fost demonstrat, că distribuția intensității în câmpul apropiat este în corelație directă cu distribuția radială a indicelui de refracție în fibra optică [2,6].

In conditiile in care sursa de lumina excita uniform toate modurile de propagare a fibrei optice, aceasta permite cu o aproximatie destul de buna, descrierea calitativa a distributiei indicelui de refractie in fibra optica. Conditia principala pentru excitarea uniforma a modurilor de propagare in fibra optica este utilizarea unei surse de lumina de tip Lambert pentru excitarea uniforma a tuturor modurilor de propagare in fibra optica [2,6].

In aceste conditii intensitatea fascicolului de proba P(r) pe capatul de iesire al fibrei optice la o distanta r de la centrul fibrei este data, cu o aproximatie buna, de relatia [3.1]:

(3.1.)

unde P(0) este intensitatea fascicolului de proba in centrul miezului fibrei; n(o) – este indicele de refractie in centrul fibrei optice; n2 – indicele de refractie al invelisului fibrei optice; a – este raza miezului fibrei optice. O dioda luminiscenta LED este foarte aproape de sursa de tip Lambert, din care cauza ea a fost folosita pentru cercetarea distributiei intensitatii in cimpul apropiat.

Figura 3.1 este o reprezenare schematică a instalației de laborator pentru caracterizarea profilului indicelui de refracție. Instalatia contine o sursă 1, un filtru de moduri 2, fibra optica 3, un microscop 4 la care este conectat un receptor CCD 5, si un calculator 6. Imaginea capatului de iesire al fibrei opticeî în câmpul apropiat este procesata prin folosirea unui microsoft elaborat pentru acest scop. Imaginea capatului de ieșire din câmpul apropiat este pusa în corelatie unei matrice de date, vaolarea fiecarui element al careia corespunde intensității înregistrate de pixelul corespunzator al receptorului CCD (figura. 3.2 b). Datele înregistrate se procesează pentru obtinerea profilului indicelui de refracție al fibrei optice studiate.

Pentru determinarea distributiei indicelui de refractie a fost elaborat un soft, care permite procesarea imaginii optice, obtinute în câmpul apropiat, si calcularea distributiei n(r). In figura 3.2.(b) este ilustrat principiul de lucru al programului: imaginea fibrei în câmpul apropiat, suprapusă cu rețeaua de pixeli pentru procesare și calcularea distribuției indicelui de refracție n(r). Procedura similară putem observa și în imagistica medicală. Aceasta înseamnă că de pe o axă se calculeaza distributia intensitatii pixelilor in sectiunea imaginii pe diamterul fibrei optice care este proportionala cu distributia indicelui de refractie.

În figura 3.3 este ilustrata distributia indicelui de refracție pentru fibra optică cu profiluli indicelui de refracție în treapta din figura.3.2, iar in figura.3.4 este ilustrata distribuția profilului indicelui de refractie pentru o fibra optică cu profilul indicelui de refracție parabolic. Folosind aceaste rezultate putem caracteriza fibrele optice studiate.

3.2. Caracterizarea fibrelor optice prin metoda câmpului indepărtat

Fascicolul de lumina se propagând într-o fibră optică sub forma de moduri, numarul carora pentru fiecare fibra optica este o marime determinata de diametru fibrei optice, lungimea de unda a facicolului de proba, indicele de refractie, etc. [D Marcuse etc.]. Pentru o fibra optica multimod numarul total de moduri poate fi aproximat prin relatia:

, (3.2)

numarul V reprezina un paramteru, numit frecventa normalizata, care este determinat de relatia [NBS]:

, (3.3)

unde a este diamterul fibrei optice,  este lungimea de unda a fascicolului de proba, iar NA este apertura numerica a fibrei optice.

Apertura numerica a unei fibre optice poate fi determinarta din relatia (figura. 3.5):

(3.4)

unde θacc – ungiul maximal deinjectare in fibra optica; n – indicele de refractie al mediului; ncore – indicele de refractie al miezului fibrei optice; n clad – indicele de refractie al invelisului fibrei optice. [60]

Pentru fiecare grupuri de moduri este caracteristica o anumnita distributie spatiala. Cercetarea distributiei intensitaii in cimpul indepartat ofera informații despre parametrii fibrei. Aceasta informatie este necesara la elaborarea diferitor senzori cu fibra optica. Distributia intensitatii in cimpul indepartat caracterizeaza dependența ungiulară a intensității fascicolului de proba, care este injectat in fibra optica. Câmpul îndepartat este considerat pentru distanța de la capatul de ieșire al fibrei optiice Z, care satisface relatiei [NBS]:

Z >> Z0, unde , (3.5)

iar r este raza miezului fibrei optice, λ este lungimea de unda a fascicoluli de proba. În câmpul îndepărtat, distribuția unghiulara a intensității nu depinde de distanța de fibră. In practica, pentru metoda cimpului indepartat masurarile se efectueaza la o distanta Z mai mare decit 10Z0 de la capatul de iesire al fibrei. De exemplu, pentru fibre standard cu profilul indicelui de refractie parabolic, diamertul miezului de 50 μm și lungimea de undă de 1 μm, 10Z0 este de 2,5 cm. Iar pentru fibra o optica standard cu diametrul miezului de 100 μm, distanța 10Z0 este de ~ 10 cm [2].

Instalația experimentala, folosita pentru înregistrarea distribuției intensitatii luminii de proba în câmpului îndepărtat al unei fibre optice este reprezentată în figura 3.6. Un fascicol de lumina este injectat intr-o fibra optica, iar la iesirea din fibra optica, in campul indepartat, este inregistrata distributia unghiulara a intensitatii luminii de proba. IN calitate de sursa de lumina poate fi folosita o sursa necoerenta sau o sursa laser. In calitate de receptor a fosr folosit o fotodioda, conectata la un amplificator selectiv UNIPAN 233, conectat la un PC. Scanarea intensitatii in campul indepartat este controlata de calculator. Fotodioda are poziționat în față o diafragmă circulară cu diamterul 100 m. Semnalul de la fotodiodă, amnplificat de amplificatorul selectiv este transmis prin intermediul unui modul AD la calculator pentru vizualizare semnalului pe monitor.

Aceasta instalatie permte scanarea distributiei unghiulare a facsicolului luminii de proba la iesirea din fibra optica in cimpul indepartat [70]. Instalatia data ne ofera, in primul rind, posibilitatea de detrminare a aperturii fibrei optice conform metodei descrise anterior in mai multe publicatii [NBS, etc.]. In al doile rind, aceasta instalatie ne ofera posibilitatea de a urmari schimbarile distributiei unghiulare in cimpul indepartat in cazul actiunii pe suprafata fibrei optice a diferitor factori exteriori (mediul chimic, deformatiile, temperatura, etc.), ceia ce este foarte important pentru elaborareea unor senzori cu fibra optica cu diferite aplicatii, in primul rind, pentru aplicatii biochimice. Ulterior vom prezenta datele experimentale obtinute, pentru determinarea aperturii numerice pentru diferite fibre optice. In afara de aceasta, vom prezenta datele experimentale, privind variatia distributiei intensitatii in cimpul indepartat la schimbarea mediului exterior fibrei optice.

In afara de scanarea unghiulara, distributia intensitatii in cimpul indepartat poate fi cercetata in configuratia scanarii imaginii speckle din campul indepartat. Imaginea speckle in campul indeperat (figura. 3.8a) se formeaza in cazul, cand in calitate de sursa de lumina de proba, este folosit o sursa coerenta – un laser. Scanarea imaginii speckle a fost aplicata intr-o serie de lucrari pentru elaborare de senzori cu fibra optica. Ne vom referi in continuare la citeva lucrari, care sunt mai apropiata de tema tezei de licenta [25].

Imaginea speckle din campul indepartat este rezultatul interferentei modurilor de propagare in campul indepartat al fibrei optice. Imaginea speckle este extrem de sensibila la actiunea factorilor exteriori. Procesarea imaginii speckle în âimpulîindepartat permite obținerea informației despre paramterii care acționeaza pe suprafată laterala a fibrei optice [ 2 ].

Instalația experimentală folosita pentru cercetarea imaginii speckle în câmpul îndepartat optice este reprezentată în figura. 3.8b. Instalația contine o fibră optică multimod, o sursă de lumină coerentă, un microobiectiv, un receptor CCD, și un calculator pentru procesarea imaginii speckle din cîmpul îndepartat. Lumina de proba de la sursa de lumină coerentă este injectată în capatul de intrare al fibrei optice, iar la capatul de ieșire al fibrei este inregistrată distribuția spațială a intensității fascicolului de probă în câmpul îndepărtat al fibrei optice. Receptorul CCD plasat în câmpul îndepartat este utilizat pentru înregistrarea distribuției spațiale și a variației intensității de lumină. In momentul când o perturbație exterioară acționează pe fibra optică are loc variația distribuției intensității luminii de probă în câmpul îndepărtat al fibrei optice.

Distribuția intensității luminii de proba în câmpul îndepărtat al fibrei optice I(x,y) conține informația despre condițiile de propagare a luminii în fibra multimod, precum și despre amplitudinea perturbațiilor care acționează pe fibra optică. Distributia intensitati luminii în planul imaginii speckle reprezintă rezultatul interferenței constructive și distructive a modurilor de propagare în câmpul îndepărtat al fibrei optice (figura. 3.9) [25]

Daca vom examina un mod separat la capătul de ieșire al de fibrei optice in planul receptorului CCD, atunci amplitudinea câmpului electric pentru acest mod poate fi reprezentată folosind ecuatia undei electromagnetice:

(3.6)

unde – reprezintă amplitudinea câmpului electric a undei electromagnetice a luminii de probă; φ – faza undei electromagnetice a modului de propagare (), ω – este frecvența undei electromagnetice; t – timpul; L – lungimea geometrică a distanței optice parcurse de modul de propagare; λ – lungimea de undă a luminii de sondare; neff – indicele de refracție efectiv pentru moda cu numărul de ordine k [25]

Când două moduri interferă în punctul din planul receptorului CCD intensitatea rezultantă poate fi descrisă de relația [63]

, (3.7)

unde și sunt intensitățile modurilor k- și (k+1) în planul al receptorului CCD; si – reprezintă faza undei electromagnetice pentru modurile cu numarul de ordine k- și (k+1) în planul al receptorului CCD. Diferența de fază dintre două moduri de propagare variază în dependență de distanța geometrică parcursă de modul de propagare, cît și in dependenta de indicele de refracție.

Algoritmul de procesare a imaginii speckle înregistrate de matricea CCD [25,] are la bază procedeul de comparare a imaginii speckle de referinta, captate în momentul de timp t = 0, cu imaginile speckle curente, captate la intervale egale de timp, ti = t1, t2, t3, ….. Matricea CCD captează o imagine speckle în momentul de timp t0, și această imagine este stocată în memoria bufer. Următoarele imagini speckle sunt captate în intervalul de timp t0 – tm. Fiecare valoare a imaginii curente Iin se scade pixel-cu-pixel din imagine inițială I0. Această procedură, raportata la un singur pixel, este descrisă de relația (3.8):

, (3.8)

unde care reprezintă valoarea absolută a diferenței dintre semnalul a două imagini, calculat la momentul ti, pentru pixelul cu numarul de ordine n si coordonatele (x,y). (Cind vorbuim despre scaderea imginilor speckle se are in vedere scaderea matricilor numerice, care reprezinta aceasta imagine).

Următorul pas la procesarea imaginii reprezintă sumarea tuturor valorilor pentru M-pixeli si determinarea valorii absolute Sn la momentul de timp t [25]:

, (3.9)

unde r1 și r2 reprezintă numărul de pixeli pe coordonatele X și Y respectiv.

Valoarea rezultantă a sumei este afișată pe monitorul calculatorului în calitate de semnal de ieșire al detectorului CCD la momentul de timp ti [25]. Aplicarea acestui algoritm oferă posibilitatea de a vizualiza pe monitorul calculatorului în timp real diferența a doua imagini speckle. Marimea S este proportională cu amplitudinea perturbației care actionează pe suprafața fibrei optice și astfel poate fi calibrată pentru a reprezenta exact amplitudinea perturbației care actionează pe fibra optică.

3.3. Cercetări experimentale prin metoda câmpului îndepărtat pentru elaborare unor senzori

a) Dupa cum a fiost mentionat mai sus, metoda campului indeprtat poate fi folosita in primul rind pentru determinarea aperturii numerice a fibrelor optice. Pentru cercetarea caracteristicilor cimpului indepartat in diferite conditii a fost folosita instalatia descrisa mai sus (figura. 3.11). In calitatede sursa de lumina au fost folosiute diferite surse, dioda laser (LD), dioda luminscenta (LED), monocromatorul MDR-3, etc. O dioda luminiscenta LED, lumina alba, puterea W = 1 W a fost folosita in calitate de sursa de tip Lambert. In calitate der sursa laser a fost folosit o dioda laser Thorlabs, CPS532, cu lungimea de unda 532 nm. Pentru excitarea modurilor la alte lungimi de unda a fost folosit monocromatorul MDR-3.

In in figura. 3.12 este reprezentata distributia intensitatii fascicolului de proba în câmpul îndepartat al unei fibre optice din polimer (polietiliena), în cazul cînd pentru excitarea modurilor este folosta o sursa tip Lambert, un LED la lungimea de undsa 520 nm. Putem observa o caracteristica monotona, care acopera intervalul unghiular de aproximativ 90 grade.

Din datele experimentale ale distributiei unghiulare a intensitatii fascicolului de proba in campul indepartat al fibrei optice putem determina valoarea aperturii numerice (NA) a fibrei optice, conform metodei descrise in NBS [36]. In figura. 3.12 este ilustrat aceasta metoda. Conform acestei metode [36.] apertura numerica este detrminata din distributia unghiulara a intensitatii in campul indepartat al fibrei optice pentru ungiul, care corespuinde apmplitudinii semnalului de iesire de 0,5% de la valoarea maxima a semnalului. In figura. 3.12 nivelul de 5% ain amplitudinea semnalului de iesire corespunde valorii unghiului de 29 grade. Din figura. 3.12 apertura numerica NA este determinata conform relatiei:

NA = nsin( 

unde n – este indicele de refractie al mediului (aierul); unghiul din distributia unghiulara din campul indepartat. In felul acesta, pentru valoarea unghiului de 29 grade, obtinem apertura numerica a fibrei optice de 0,48. Este de notat, ca conform datelor de pasaport al fibrei respective, (RS 368-047), apertura numerica a acestei fibre este de 0,47. Astfel eroarea relativa constituie reprezintă o valoare de circa 2%.

Apertura larga a fibrei optice din polimer determina un numar mare al modurilor de propsgare. Pentru calcularea numarului maximal de moduri care se pot propaga in aceasta fibra vom folosi relatiile prezentate în [ 3.4-3.6.], vezi formula de mai sus (3.10).. Pentru un calcul aproximativ vom considera ca sursa LED emite la lungimea de unda 520 nm. Astfel numarul total de moduri, care se pot propaga in aceasta fibra optica este de aproximativ ~106 moduri. Numarul mare de moduri in acest caz este determinat in primul rind de diamterul mare al fibrei optice (1 mm), si in al doilea rind, de apertura mare (0,47) a fibrei optice de polimer.

Distributia modurilor in cazul unei fibre de cuart cu profilul indicelui de refracție parabolic este ilustrata în figura. 3.14. In cazul injectarii fascicolului de proba LED intr-o fibra optica din sticla de cuarț 125/50 m distributia unghiulara a modurilor in cimpul indepartat are un caracter, asa cum este ilustrat în figura 3.14. Apertura numerica, determinata conform metodei descrise mai sus [36], este egala cu 0,17. Conform datelor de pasaport, apertura numerica a acestei fibre este egala cu 0,20.

b) Metoda campului indepartat poate fi folosita la elaborarea unor senzori biochimici. In figura. 3.15 este reprezentata distributia modurilor de propagare in fibra optica in cazul injectarii unui fascvicol de lumina de la o sursa coerenta. Aceasta distributie este rezultatul interferentei modurilor care se propoaga prin fibra optica. In sectorul 12 – 22 grade putem observa interferenta modurilor de propagare in cimpul indepartat. Este interesant de mentionat ca in acelasi timp, in domeniul 8,8 si 24,8 grade putem observa interferenta modurilor de invelis. Vom mentiona ca in anumite configuratii modurile de invelis pot fi folosite pentru detectarea unor paramteri fizici/chimici, care actioneaza direct pe invelisul fibrei optice.

Pe de alta parte, distributia modurilor in cimpul indepartat poate fi inregistrata si în alăa configuratie, prin scanarea imaginii speckle, asa cum am mentionat mai sus (figura. 3.8). [25].

Dupa cum am mentionat, distributia modurilor de propagare in cimpul indepartat al fibrei optice este deosebit de sensibila la actiunea factorilor exteriori. Anume acest factor poate fi utilizat la elaborarea unui sir intreg de senzori pentru diferite aplicatii in optoelectronica, medicina, biologie, etc.

[25, 36]

In cele ce urmeaza vom prezenta datele experimentale, care confirma posibilitatea folosirii metodei campului indepartat la elaborarea unor senzori biochimici. Pentru cercetarea influentei mediului chimic exterior la distributia intensitatii in cimpul indepartat au fost pregatite o serie de structuri cu fibra optica, asa cum este ilustrat schematic în figura. 3.16.

În figura. 3.16 sectorul 2 reprezinta segmentul senzorial al structurii cu fibra optica. Acesta este un sector de fibra optica, de pe care a fost inlatuirata mantaua fibrei, pentru asigurarea contactului optic cu mediul exterior. Aceiasi configuratie urma a fi folosita pentru structuri plasmonice. La prima etapa, segmentul senzorial a fost cercetat in configuratia fara stratul metalic. Aceasta a fost determinat de fapul, ca timpul necesar pentru cercetarile cu structuri plasmonice s-a dovedit a fi mult mai mare, decit timpul rezervat pentru realizarea tezei de licenta.

In figura. 3.18 este reprezentata distribuția intensitatii luminii de proba intr-o structura cu fibra optica din polimer, avind un segment de fibra optica curatit de înveliș, pentru asigurarea contactului optic cu mediul exterior (figura. 3.17). Fascicolul de lumina este obtinut de la un monocromator MDR-3, p = 625 nm. Distanta de la receptor pina la capatul de iesire al fibrei Z = 40 mm. Injectarea fascicolului de proba este realizata print-un microbiectiv 20. Curba punctata reprezinta distributia in cazul cind segmentul senzorial este in contact cu aierul, iar curba 2 reprezinta distributia intensitatii in cazul cind segmentul senzorial al fibrei optice este in contact cu alcoolul etilic (C2H5OH). Putem nota ca modificarea distributiei intensitatii in campul indepartat este mai pronuntata pentru valorile mai ale ungiului de scanare (figura. 3.22-3.23). Acest fapt indica, ca in acest caz, modurile de ordin superior sunt mai senzibile la schimbarea mediului exterior.

Pentru diferite lungimi de unda a fascicolului de probă modificarile distribuției intensitații în câmpul îndepartat sunt similare, ca și în cazul precedent. In figura. 3.18 este reprezentata distributia intensitatii luminii de proba intr-o structura cu fibra optica din polimer, pentru doua lungimi de unda (500 nm si 750 nm). Putem observa schimbari similare a distributiei intensitatii in campul indepartat. In cazul lungimii de unda 500 nm, schimbarile sunt observate doar pentru modurile de ordin superior (valorile unghiului mai mari de 20 grade). In cazul lungimii de unda de 750 nm schimbarile sunt observate atit pentru modurile de ordin superior, cat si pentru modurile de ordin inferior (figura. 3.18b).

O modificarea semnificativa a distribuției intensitații fascicolului de probă în câmpul îndepartat a fost înregistrata pentru o fibra optica din polimer, în cazul folosirii unei surse LED (Figura. 3.19). Curba punctata reprezinta distribuția intensitatii pentru fibra optică în contact cu alcoolul etilic, iar curba continua reprezintă distribuția intensitații în câmpul îndepartat pentru fibra optica fără alcool etilic. Observam o largire esențiala a distribuției intensitații în câmpul îndepertat în tot intervalul unghiurilor (- 30) – (+ 30) grade, în cazul când fibra optiăa este în contact cu alcoolul etilic. Contribuția principală acestor schimbări este legată probabil de diferența indicelor de refracție. Pentru alcoolul etilic n = 1,361.

In figura. 3.20 este reprezentata distributia intensitatii luminii de proba intr-o structura cu fibra optica din cuart, avînd un segment de fibră optică curațit de învelis, pentru asigurarea contactului optic cu mediul exterior (figura. 3.16). Diametrul miezului fibrei este 50 m, diametrul invelisului 125 m. In calitate de sursa de lumina este folosita o dioda luminscenta LED, p = 520 nm. Distanta de la receptor pina la capatul de iesire al fibrei Z = 70 mm. Injectarea fascicolului de proba este directa. Profilul indicelui de refracție este parabolic (figura. 3.4). Curba 1 reprezintă distribuția intensitații în cazul cînd segmentul senzorial este în contact cu aierul, iar curba 2 reprezintă distribuția intensitatii în cazul cînd segmentul senzorial al fibrei optice este în contact cu acetonul. Dupa cum putem observa, în cazul cînd fibra optica vine în contract cu mediul de aceton are loc o crestere a distribuției unghiulare a intensitații în câmpul îndepartat. Acest fapt indică cresterea numrului de moduri, ceia ce este determinat de faptul că indicele de refracție al acetonului (n = 1,3591) este mai mare decît indicele de refracție al aierului.

Dupa cum a fost mentionat mai sus (paragraful 3.4), o metoda alternativă de cercetare a distribuției intensitații în câmpul îndepartat al fibrei optice este metoda, care implică procesarea imaginii speckle. Folosînd metoda, descrisa anterior, noi am demonstrat posibilitatea inregistrarii în timp real a schimbarii mediului chimic, folosind structuri cu fibra optica (figura. 3.16). In figura. 3.21 sunt prezentate datele inregistrării modificării imaginii speckle din câmpul îndepartat, în condițiile modificării mediului chimic

Figura 3.21(a) reprezinta imaginea speckle din câmpul îndepartat al unei structuri cu fibra optica din cuart, iat figura. 3.21(b) reprezintă semnalul de iesire obținut prin procesarea acestei imagini. La modificarea mediului chimic exterior (aplicarea acetonului) observăm o creștere puternică a semnalului de ieșire, ceia ce confirmă înca o data posibilitate utilizării metodei câmpului îndepartat pentru aplicații de senzori chimici și biochimici.

IV. ARGUMENTAREA ECONOMICĂ

4.1. Descrierea generalizată a proiectului

Caracterizarea fibrelor optice prin metoda câmpului îndepartat sau metoda câmpului apropiat oferag informatii despre paramterii fibrelor optice, care sunt necesare la elaborarea unor senzori biochimici pentru aplicații în medicină. Aceasta informație se referă la apertura fibrelor optice, distribuția modurilor care se propoaga prin fibra optică, distribuția indicelui de refractie, etc. Este important, că, în special, distribuția modurilor în câmpul îndepratat este sensibiăa la condițiile la interfața dintre fibra optică și mediul exterior.

4.2. Planul calendaristic de elaborare a proiectului

Pentru a desfasura așa tip de problema care s-a pus ca sarsina este insuficient timpul de 3 luni de zile. Pentru a cerceta toate efectele necesare care se atribuie acestei lucrari de licenta, este necesar un timp de minim 8 luni. Acest timp si a fost luat in consideratie in calculile.

Realizarea părții economice ne permite să rezolvăm următoarele probleme ale procesului de realizare a tezei de licență:

Organizarea și întocmirea planului calendaristic;

Repartizarea resurselor umane disponibile;

Planificarea corectă a timpului de lucru;

Stabilirea bugetului pentru desfășurarea proiectului .

În conformitate cu art. 98 alin. 1 din C.M. al R.M. durata zilei de lucru este de 8 ore, în continuare este prezentat planul calendaristic al proiectului în tabelul 4.1. care include etapele, durata fiecărei etape, executanții și termenul de realizare.

Tabelul 4.1. Planul calendaristic

Figura.4.1 Garaficul de retea.

Tabelul.4.2. Masurarile in afara mediului chimic

Tabelul.4.3. Masurarile cu structuri cu fibra optica

Tabelul.4.4. Masurarile cu structuri cu fibra optica in mediul chimic

Din datele preliminare descrise în literatura de profil, a fost inițial planificat obținerea și caracterizarea senzorilor biomedicali formați pe baza structurilor plazmonice cu fibra optică, deoarice în acest caz se sșteaptă o sensibilitate mai mare la factori externi de influență(medii externe cu compoziție diferită) . Partea aceasta a lucrării nu este finalizată , prematur de discuții și publicare. Menționăm numai, că au fost întâlnite dificultăți ce nu pot fi depășite în timp scurt destinat lucrării de licență și care necesită abordări inovative în obținerea astfel de structuri noi.

Astfel, lucrarea , precum și concluziile se referă exclusiv la rezultatele reproductive realizate, care nu infirmă, dar confirmă cert că sarcină pusă, deși extrem de complexă, va fi realizată în timp mai îndelungat.

4.3. Resursele de muncă.

Grupul de lucru este alcătuit din: C – conducător, I-inginer, E –consultant economic

În tabelul 4.2 este reprezentat resursele umane și responsabilitățile.

Tabelul 4.5. Distribuirea responsabilităților în proiect

Tabelul 4.6. Componența grupului și FRM

4.4 Analiza SWOT

Analiza SWOT este una dintre cele mai utilizate forme de analiză a unei afaceri. Prin SWOT se analizează și se evaluează impactul punctelor forte și a punctelor slabe, a oportunităților și a riscurilor ce provin din mediul extern. Partea principală a acestei analize reprezintă listarea și evaluarea acestor puncte:

1. Punctele forte: punctele tari sunt acei factori care fac ca o organizație sa fie mai competitivă decît concurenții săi de pe piață. În esență, punctele forte sunt resurse, capacități și competențe de bază pe care organizația le are în posesie și pe care le poate utiliza în mod eficient pentru a-și atinge obiectivele de performanță.

2. Puncte slabe: un punct slab reprezintă o limitare, un defect în cadrul organizației, care o va împiedica în realizarea obiectivelor sale: capacitați inferioare, resurse insuficiente în comparație cu concurența etc.

3. Oportunități: oportunitățile includ orice perspectivă favorabilă în mediul organizației, precum o tendință, o piață, o schimbare sau o nevoie trecută cu vederea, care susține cererea pentru un produs sau serviciu și permite organizației să-și consolideze poziția concurențială.

4. Riscuri: Un risc include orice situație nefavorabilă, tendință sau modificare iminentă în mediul organizației, care este dăunatoare sau pune în pericol capacitatea companiei de a concura pe piață. Aceasta poate lua forma unei bariere, a unei constrîngeri, sau orice altceva care ar putea cauza probleme, daune, prejudicii organizației.

Reieșind din analiza tuturor avantajelor (+5) și dezavantajelor (-2) ilustrate în tabelul 4.4. putem face concluzia că proiectul este fezabil.

Tabelul 4.7. Analiza SWOT

4.5. Argumentarea economică

Proiectul dat este constituit în cea mai mare parte din cercetări științifice. Costul produsului finit este direct propoțional cu cheltuielile de pe materiale folosite. După realizarea și optimizarea procesului tehnologic pentru producția în masă toate cheltuielele adiționale și nespus de costistitoare, ca de exemplu instalațiile de cercetare, se vor compensa. În capitolul cheltuieli intră următoarele subcapitole:

Cheltuielele directe;

Cheltuielele pentru plată a lucrului salariaților și defalcările pentru fondul social;

Cheltuiele indirecte ;

Luînd în considerați resursele financiare care sunt la dispoziție, complexitatea proiectului, termenul de realizare, experiența și pregătirea profesională se va forma un anumit grup de executanți, care sunt în stare să înfăptuiască toate lucrările de care este nevoie pentru acest proiect. Calcule necesare pentru realizare studiului științic începe cu mateleriale de consum prezentate în tabelul 4.5. Impozitele în fondul social constituie următoarele taxe de stat:

Fondul de Asigurări Sociale (FAS) care constituie 23 % conform legislației Rep.Moldova;

Fondul de pensii (FP) – 6%;

Asigurarea medicală (FAM) care constituie 4,5 % angajat și 4,5% angajator.

Tabelul 4.8. Materialele de consum și utilaj.

Tabel 4.9. Calculele fondului tarifar de salarizare, defalcările și prime de AM.

Cheltuieli directe

Pentru determinarea chelutuielilor directe se va calcula cheltuielele pentru energie electrică consumată de utilajul folosit în proiect, materialele și componentele necesare.

Pentru a calcula cheltuielile pentru energia electrică s-a luat în considerație cît timp a fost folosit utilajul în proiectul dat, numărul de instalații și tariful energiei electrice la momentul actual (1kW/h costă 1.99 de lei). S-a luat în vedere că ziua de muncă este de 8 ore și se vor calcula cheltuielile pe oră. Puterea de consum al utilajului utilizat este reprezentată în tabelul 4.7. Calculul energiei utilizate a fost efectuat conform relației 4.1:

Wunit=Pcons∙tfunc (4.1)

Unde Wunit – energia electrică consumată de utilaj, Pcons – puterea consumată de utilaj,

tfunc- timpul de funcționare al utilajului.

Tabelul 4.10. Puterea de consum al utilajului utilizat

Consumul energiei s-a calculat pentru fiecare instalație în particular, care au fost folosite pentru cercetări și elaborarea proiectului, după relația 4.1. În final s-au sumat toate cheltuielile și s-a aflat suma totală pentru fiecare coloană, puterea consumată, timpul de lucru și suma în lei care urmează să fie achitată.

Cheltuieli indirecte

În domeniul dat intră uzura instalațiilor utilizate pentru realizarea proiectului. Vor fi așa cheltuieli ca:

Cheltuielele pentru arenda încăperii;

Amortizarea activelor nemateriale de lungă durată în timpul perioadei de cercetare;

Cheltuielele pe iluminarea încăperii, internetul;

Materialele auxiliare necesare pentru efectuarea proiectului;

Alte cheltuieli indirecte.

La calcularea uzurii activului pot fi aplicate diverse metode:

metoda casării liniare;

proporțional volumului produselor (serviciilor);

metoda soldului degresiv.

Tabelul 4.11. Calcularea uzurii

Cheltuieli de regie

În domeniul dat se includ așa cheltuieli ca: internetul, energie electrică, transport. Toate datele au fost generalizate în Tabelul 4.12

Tabelul 4.12. Cheltuieli pentru regie

Cheltuielile totale pentru proiect

Tabelul 4.13. Cheltuielile totale pentru proiect

Costul total al proiectului este de 155334,8 lei.

4.6. Importanța

Senzorii cu fibra optica pentru aplicatii in medecina prezintă provocăria unice de proiectare legatea de interfața lor cu un organism biologic.a Senzorii trebuie să fie siguri, Afiabili, stabili, biocompatibili, supuși sterilizării, să nu fie supuși respingerii biologice și să nu necesitea calibrarea (sau cel puțin să mențină calibrarea pe perioade lungi). Ambalareaa senzorilor este un aspect deosebit dea critic, deoarece dispozitivele trebuie să fie foartea mici – în special cele pentrua implantare sau locație. De asemenea, dispozitivele trebuie să fie cât mai simple posibil.

Aplicațiile pentru senzori biomedicali potA fi clasificate ca in vivo sau in vitro. In vivo se referă la aplicarea pe un întreg organism viu, cum ar fi un pacient uman;a in vitro – la testarea în afara corpului, cum ar fi analizele de sânge de laborator.

a Din perspectiva modului în care sunt aplicați unui pacient sau unui sistem biologic, senzorii pot fi clasificați ca neinvazivi, de contact (e.g. suprafața pielii), minim invazivi (locație temporară)a sau invazivi (implantabili). Senzorii biomedicinali pot fi utilizați pentru diagnosticare, terapie, terapiea intensivă, cercetare, dezvoltare preclinică sau teste de laborator.

Tehnicile de realizare a senzorilor chimici și biochimici, pe baza dispozitivelor optice și optoelectronice, tind să devină din ce în ce mai utilizate, majoritatea implicând folosirea fibrelor optice. Direcția principală de investigare în acest domeniu o reprezintă dezvoltarea membranelor sensibile din punct de vedere chimic și biochimic, atât pentru mediile lichide, cât și pentru cele gazoase, în ultimul caz lucrându-se, în special, în spectrul de radiație infraroșu.

Acești factori condiționează interesul față de producerea cât mai largă comercială:

V. Concluzii si recomandari

Din datele preliminare descrise în literatura de profil, a fost inițial planificat obținerea și caracterizarea senzorilor biomedicali formați pe baza structurilor plazmonice cu fibra optică, deoarice în acest caz se sșteaptă o sensibilitate mai mare la factori externi de influență(medii externe cu compoziție diferită) . Partea aceasta a lucrării nu este finalizată , prematur de discuții și publicare. Menționăm numai, că au fost întâlnite dificultăți ce nu pot fi depășite în timp scurt destinat lucrării de licență și care necesită abordări inovative în obținerea astfel de structuri noi.

Astfel, lucrarea , precum și concluziile se referă exclusiv la rezultatele reproductive realizate, care nu infirmă, dar confirmă cert că sarcină pusă, deși extrem de complexă, va fi realizată în timp mai îndelungat.

1. Au fost ajustate instalațiile experimentale pentru caracterizarea fibrelor optice prin metoda câmpului apropiat și metoda câmpului îndepartat. Au fost pregatite structuri cu fibra optice pentru cercetrai experimentale cu aplicația metodei câmpului îndepartat și a metodei câmpului îndepartat.

2. A fost efectuate cercetari experimentale pentru caracterizarea diferitor fibre optice cu folosirea metodei câmpului apropiat și a metodei câmpului îndepartat. A fost efectuate masurari pentru determinarea profilulu indicelui de refracție n(r) și apertura numerica NA a fibrelor optice folosite ulterior pentru pregatirea unor structuri cu fibra optică pentru cercetari experimentale;

3. Metoda câmpului îndepartat, cât și metoda câmpului apropiat, oferă informații despre parametrii fibrelor optice, care sunt necesari în primul rînd, în telecomunicatii pentru caracterizarea fibrelor optice (apertura fibrelor optice, distribuția modurilor în fibra optica, distribuîia indicelui de refracție, etc.) și pentru elaborarea unor senzori biochimici.

4. A fost demonstrat ca metoda câmpului îndepartat poate fi folisită la elaborarea unor senzori, pentru inregistrarea parapetrilor fizici, inclusiv a unor parametri biochimici pentru aplicatii în medicină. Este important, că, în special, distribuția modurilor în câmpul îndepratat este sensibilă la condițiile la interfața dintre fibra optică și mediul exterior.

5. A fost efectuate cercetari experimentale cu structuri cu fibra optica în calitate de posibile platforme pentru cercetare și elaborarea unor senzori cu fibra optică, pentru înregistrare a substanțelor chimice (C2H5OH, Aceton, etc.)

Bibliografie.

1- T.G.Giallorenzi, J.B.Bucaro, A.Dandridge, J.H.Cole, Optical Fiber Sensors challenge the competition, IEEE Spectrum, Sept. 1986, p.44

2-A.D.Kersey, A.Dandrisge, Applications of fiber optic sensors, Electron.Compon.Houston, Tex., May 1989, Proc., New-York, 1989. p.472-478

3- Alexis Mendez, Medical applications of fiber-optics: Optical fiber sees growth as medical sensors, https://www.laserfocusworld.com/articles/2011/01/medical-applications-of-fiber-optics-optical-fiber-sees-growth-as-medical-sensors.html

4- L.Weisenbach, BCC Research Report “Fiber Optic Sensors”, November 2005

5 2. J.P.Dakin, Optical fibre sensors – principles and applications, Fibre Optics’83, SPIE Vol. 374,

6- D.Donlagic, Fiber Optic Sensors: An Introduction and Overview, University of Maribor, Facvulty of Electrical Engineering and Compur Science, Maribor, 2000.

7- Fabin Shen, UV-Induced Intrinsic Fabry-Perot Interferometric Fiber Sensors and Their Multiplexing for Quasi-Distributed Temperature and Strain Sensing, Dissertation, Virginia Polytechnic Institute, USA June 1, 2006, Blacksburg, Virginia

8 W.B.Spillman, and D.H.McMahon, Schlieren multimode fiber optic hydrophone, Appl. Phys. Lett. 37 (2) p.145

9 J.N.Fields, Attenuation of a parabolic index fiber with pweriodic bends, Appl. Phys. Lett., 36(10), 1980, p. 799.

10. Applied Optics, Vol. 20, No 3, p. 445-479.

11. A.M.Andriesh, I.P.Culeac, V.G.Abaskin, et al. „Fiber optic displacement sensor based onm clads modes detection”, Proc. 17th Congres of the Intern. Comission for Optics, (ICO XVII’96), Optics for Sciencies and New Technology”, 19-23 August, 1996. Taejon, Koreya

12. I.Culeac, Optical Devices Based on Fibre Samples, In: “Contributions to Non-Crystalline Semicond. Physics and Optoelectronics. Ed. A.Buzdugan and M.Iovu, Chisinau, 2003, p. 227

13. Fiber Optic Interferometrer Fabry-Perot, http://physics.nad.ru

14 K.Totsu, Y.Haga, M. Esashi, Ultra miniature fiber optic pressure sensor using light light literferometry, J.Micromech. Microeng. Vol. 15, p. 71-75

15 H.Xiao, J.Deng, G.Pickrell, R.G.May and A.Wang, Single crystal Sapphire Fiber-Based Strain Sensor for High-Temperature applications, J.Lightwave Technology, 21, 2276 (2003)

16 W.Peng, G.R.Pickrell and A.Wang, High-temperature fiber optic cubic-zirconia pressure sensor, Optical Engineering, December 2005, V.44, issue 12, 124402

17 www.fiso.com

18 E.Udd, Emergence of Fiber Optic Sensor Technology, in Fiber Optic Sensors: An Introduction for Engineers and Scientists, E. Udd, ed.: John Wiley & Sons, Inc.: New York (1991).

19 Assessment of Fiber Optic Pressure Sensors, Date published: April 1995, Prepared by H.M.Hashemian, C.L.Black, J.P.Farmer, Prepared for Division of Systems Technology Office of Nuclear Regulatory Research, U.S. Nuclear Regulatory Commission, Washington, DC, April 1995

20 E. Udd, "Overview of Fiber Optic Applications to Smart Structures," Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, Plenum Press (1988).
21 B. Culshaw and J. Dakin, Eds, Optical Fiber Sensors: Systems and Applications, Vol. II, Artech House (1989).

22. J.I. Peterson and G.G. Vurek, "Fiber-Optic sensors for biomedical applications." Science, 224, 4645, 123-127 (1984).

23 A.G. Mignani and F. Baldini, "Biomedical sensors using optical fibres," Rep. Prog. Phys., 59, 1-28 (1996).

24 F. Baldini, A. Giannetti, A.A. Mencaglia, and C. Trono, "Fiber Optic sensors for Biomedical Applications." Curr. Anal. Chem., 4, 378-390 (2008).

25 Culeac, I., Nistor, I., Iovu, M., Andriesh, A., Fiber optic interferometric method for registration of IR radiation, A. Vaseashta and N. Enake, (Eds.), Technological Innovations in Sensing and Detection of Chemical, Radiological, Nuclear Threats and Ecological Terrorism, NATO Science for Peace and Security Series A: Chemistry and Biology, DOI 1007/978-94-2488-42, Springer Science-Business Media B.V. 2012, p. 379-388.

26- S.M. Borisov and O.S. Wolfbeis, Chem. Rev. 108(2008)423-461.

27. Dostálek J., Homola J., Miler M. Rich information format surface plasmon resonance biosensor based on array of diffraction gratings)/ Sens. Actuators B. – 2005; 107: 154–161.]

28 Набиев И.Р., Ефремов Р.Г., Чуманов Г.Д. Гигантское комбинационное рассеяние и его применение к изучению биологических молекул // УФН. – 1988; 154: 459.

29 – H.Kuwahara, Fiber optic Sensing Devices, Mitsubishi Electric Advance, Vol. 31, 1985, p. 18-20

30 Optical sensors based on surface plasmon resonance for high-sensitive biochemical analysis, D.A. Mamichev, I.A. Kuznetsov, N.Е. Maslova, M.L. Zanaveskin, Moleculearnaia meditina, 6, 2012.

31. M.Stanciu, A.Stanciu, Biosenzor cu fibre optice pentru măsurarea concentrației antigenului specific prostatic, ATEE 2004. ELE

32 Волоконно-отические датчики, Перевод Г.Н.Горбунова, Энергоатолмиздат, 1991

33 J.D.Muhs, Fiber Optic Sensors: Providing Cost-Effective Solutions to Industry Needs, Oak Ridge National Laboratory, November 2002

34 High-Temperature High Bandwidth Fiber-Optic MEMS Pressure Sensor Technology for Turbine Engine Component, Testing Wade Pulliam Patrick Russler, Luna Innovations, Inc. Applied Research Associates, Inc., Blacksburg, VA Raleigh, NC, 2005.

35 I. P. Culeac, Iu. H. Nistor, M. S. Iovu, “Fiber optic method for measuring the intensity of IR radiation”, Journal of Optoelectronics and Advanced Materials, 11(4), 380-385 (2009)]

36. National Bureou of Standards, USA….

37.[A fiber optic intrusion monitoring system, I. Culeac, I. Nistor, M. Iovu, A. Buzdugan, V. Ciornea, and I. Cojocaru, Moldavian Journal of Physics, 2013