Światłowody kapilarne



Pobieranie 21,19 Mb.
Strona39/53
Data24.02.2019
Rozmiar21,19 Mb.
1   ...   35   36   37   38   39   40   41   42   ...   53

4.6 Parametry termiczne

Temperatura wpływa istotnie na parametry materiałów i elementów optycznych, w tym także światłowodów, poprzez zmiany dylatacyjne oraz zmiany refrakcji. Parametry termiczne włókna optycznego należą także do grupy parametrów wrażliwościowych. Parametry te są związane z takimi wielkościami jak: liniowe współczynniki rozszerzalności szkieł składowych włókna, różnicowe współczynniki rozszerzalności liniowej, zakres temperatur pracy polimerowych pokryć zabezpieczających i mechanicznych włókna, indukowane termicznie naprężenia wewnętrzne i ich konsekwencje w odniesieniu do parametrów optycznych, jak np. straty czy indukowane zmiany polaryzacji fali. Światłowód czujnikowy, uczulany lub znieczulany termicznie może być pokryty np. dodatkowym płaszczem ceramicznym szczególnie czułym na zmiany temperatury (lub odwrotnie znieczulonym na zmiany temperatury, np. szkło-ceramika Zerodur). W światłowodzie transmisyjnym o znacznej długości dominującym parametrem termicznym jest zmiana długości drogi optycznej, mierzona fazowo. Parametry termiczne takich światłowodów są standaryzowane. W światłowodzie instrumentacyjnym mogą być ważne oba składniki dylatacyjny i refrakcyjny. Parametry termiczne nie są standaryzowane i mogą być zmieniane w pewnych granicach. Szczególnie szerokim zakresem zmian mogą charakteryzować się włókna SK. Wypełnienie SK ciekłym kryształem w znacznym stopniu uczula takie włókno na zmiany temperatury. Zmieniać się mogą jego wszystkie parametry optyczne.


4.7 Pokrycie zewnętrzne światłowodu

Pokrycie zewnętrzne światłowodu odgrywa bardzo ważną rolę. Jest to na ogół pokrycie polimerowe, np. akrylowe, teflonowe, itp. Szkło jest relatywnie nieodporne na działanie wody i agresywnych czynników chemicznych, jak kwasy i zasady, rozpuszczonych w wodzie. Szkło w postaci włókna podatnego na zgięcia musi być szczelnie zabezpieczone przed oddziaływaniem środowiska zewnętrznego. Bezpośrednia warstwa pokrycia przylegająca do szkła musi charakteryzować się znaczną adhezją. Prawidłowo przylegające, szczelne pokrycie zewnętrzne światłowodu znacznie zwiększa wytrzymałości mechaniczną włókna. Pokrycie zewnętrzne światłowodów transmisyjnych są ściśle normalizowane. Pokrycie zewnętrzne światłowodów instrumentacyjnych na ogół nie są normowane. Niektóre rodzaje zastosowań światłowodów kształtowanych, jak czujniki czy sprzęgacze wymagają częściowego lub całkowitego usunięcia pokrycia na pewnej długości włókna.


4.8 Kondycjonowanie powierzchni otworu kapilarnego w światłowodzie

Otwór kapilarny we włóknie typu SK może pełnić szereg różnych ról. W SKR może być wypełniany płynem zmieniającym profil refrakcyjny włókna i jego inne właściwości optyczne. Płyn w kapilarze jest penetrowany przez zanikającą falę optyczną, co stanowi podstawę do metod spektroskopowych oraz połączenia technik kapilarnych chemicznych i optycznych. W SKF kapilara jest rdzeniem światłowodu, gdzie tranmsitowana jest fala optyczna. W gradientowym polu optycznym w rdzeniu SKF mogą być transmitowane zjonizowane atomy, stanowiąc podstawę do układów optyki atomowej. W większości tych przypadków duże znaczenie ma stan powierzchni wewnętrznej otworu kapilarnego.

Przepompowywanie materii przez kapilarę, która pełni rolę reaktora, zmienia właściwości powierzchni w zależności od rodzaju substancji i sposobu jej oddziaływania z powierzchnią szkła. Jeśli czujnik kapilarny jest przepływowy to powierzchnia musi być okresowo przemywana. Powierzchnia wewnętrzna kapilary może pełnić rolę katalizatora. Pokrywana może być nanocząsteczkami samoorganizującymi się w cienką warstwę. Techniki kondycjonowania powierzchni wewnętrznej kapilary należą do nowych zagadnień budowy mikrolaboratoriów chemicznych w układach kapilarnych.
4.9 Kompatybilność z kapilarą chemiczną i inne parametry

SŚwiatłowód kapilarny w pewnych przypadkach, np. pracując jako czujnik wewnątrz sieciowego układu światłowodowego, musi zachować kompatybilność sygnałową ze światłowodem klasycznym transmisyjnym. Zasilanie i odbiór sygnału z czujnika wykonanego ze światłowodu instrumentacyjnego może odbywać się poprzez światłowód transmisyjny. SK pracujący w układzie chemicznym powinien, w pewnych przypadkach, być kompatybilny ze standardem kapilar chemicznych. Kapilara optyczna pracująca w układzie chemicznym musi spełniać normy odpornościowe na chemicznc środowisko pracy. W przypadku transmisji w SK większej mocy optycznej, przekraczającej normy BHP, układ musi być zabezpieczoy przed niekontrolowanycm wyjściem wiązki światła ze światłowodu.


4.10 Podsumowanie

Wytrzymałość mechaniczna światłowodów pełnych i kapilarnych poddaje się tym samym metodom analizy za pomocą rozkładu prawdopodobieństwa Weibulla. Dla wysokiej jakości światłowodów wysokokrzemionkowych, wytrzymałość obu rodzin włókien jest podobna. Przyczyną różnic może być zanieczyszczenie lub narażenie mechaniczne wewnętrznej ścianki kapilary, np. spowodowane złą technologią przełomu lub obecnością wewnątrz mikrozłomu szklanego. Jeśli wewnątrz kapilary nie jest utrzymywana w sposób ciągły próżnia, to ścianka wewnętrzna musi być zabezpieczona podobnie jak zewnętrzna. Dla światłowodów kapilarnych ze szkieł miękkich mierzono wytrzymałość mechaniczną na poziomie (0,3-1) GPa. Wartości te były także porównywalne do światłowodów pełnych o analogicznych wymiarach i podobnej technologii wytwarzania.

LITERATURA
[1] M.Borecki, M.K.Pawłowski, P.Wrzosek, et al., Capillaries as the components of photonic sensor micro-systems, Measurement Science and Technology, vol.19 no.6, pp.065202-9p, 2008

[2] Capillary optical waveguides, Application Notes, Polymicro Technologies [polymicro.com]

[3] D.M.Hartman, J.T.Nevill, K.I.Pettigrew, G.Votaw, P.J.Kung, H.C.Crenshaw, A low-cost, manufacturable method for fabricating capillary and optical fiber interconnects for microfluidic devices, Lab on a Chip, vol.8, pp.609-616, 2008

[4] R.Romaniuk, Miernictwo światłowodowe, PAN, Warszawa 2001

[5] S.R.Nagel, J.W.Fleming, D.A.Thompson, G.H.Sigel, Optical fiber materials and properties, MRS Symposium Series, vol.88, 1987

[6] M.Yamane, Y.Asahara, Glasses for photonics, metaszkła, Cambridge Press, 2005

[7] H.Atwater, et al., Negative refraction at visible frequencies, Science Express Web, 2008

[8] S.G.Johnson, Photonic crystals, periodic surprises in electromagnetism, MIT Press 2007

[9] D.Prather, Photonic crystals, theory, applications and fabrication, Blackwell Science, 2009

[10] L.Vincetti, Numerical analysis of plastic hollow core microstructured fiber for Thehetrtz applications, Optical Fiber Technology, vol.15, no.4, pp.398-401, 2009

[11] H.A.Schaeffer, J.Mecha, J.Steinmann, Mobility of sodium ions in silica glass of different OH content, Journ. Am.Ceramic Soc., vol.62, no.7-8, pp.343-346, 2006

[12] K.L.Cheng, H.Z.Song, S.X.R.Yang, Evidence of adsorption of hydrogen and hydroxide ions by pH-sensitive glass, and chemical potential amplification, J.Chem.Soc., Chem.Commun., pp.1333-1334, 1988

[13] G.A.Vlaskovic, M.Holton, G.H.Morrison, Parameter control, characterization, and optimization in the fabrication of optical fibers, Appl. Optics, vol34, pp.1215-1228, 1995

[14] Optical Fiber Resources [ofsoptics.com]

[15] L.Mamileti, C-M.J.Wang, M.Young, D.F.Vecchia, Optical fiber geometry by gray-scale analysis with robust regression, Appl.Optics, vol.31, no.21, pp.4182-4185, 1992

[16] A.A.Hamza, T.Z.N.Sokkar, M.A.El-Bakary, Detection of the variation of the optical and geometrical parameters of fibers due to the cold drawing process, Measurement Science and Technology, vol.15, no.5, pp.8310838, 2004

[17] I.Matricek, D,Kacik, I.Turek, P.Peterka, The determination of the refractive index profile in α-profile optical fibres by intermodal interference investigation, Optik, Int.Journ for Light and El.Optics, vol.115, no.2. pp.86-88, 2004

[18] A.C.Boucouvalas, X.Qian, Optical fiber refractive index profile synthesis from near field, Proc. IEEE Globecom, vol.5, pp.2669-2673, 2003

[19] Optical fiber spectral characteristisc measurements, Safibra [safibra.cz]

[20] J.Sakai, T.Kimura, Practical microbending loss formula for single-mode optical fibers, IEEE Journ. Quantum Electronics, vol.15, no.6, pp.497-500, 1979

[21] Design software for photonics [optiwave.com]

[22] M.B.Shemirani, W.Mao, R.A.Panicker, J.M.Kahn, Principal modes in graded-index multimode fiber in presence of spatial and polarization mode coupling, J. of Lightwave Technolo., vol27, no.10, pp.1248-1261, 2009

[23] F.Audet, Chromatic dispersion analysis methods, Application Note no. 077, Optical Fiber Test and Measurement [exfo.com]

[24] N.A.Mortensen, J.R.Folkenberg, Near-field to far-field transition of photonic crystal fibers: symmetries and interference phenomena, Optics Express, vol10, no.11, pp.475-481, 2002

[25] W.Weibull, The phenomenon of rupture in solids, Proc. R. Swed. Inst. Eng. Res. 153, 3-55 (1939)

[26] R.J.Charles, Static fatigue of glass, part I, II, Dynamic fatigue of glass, J.Appl.Phys. 29, 1549-1560, 1657-1662 (1958)

[27] T.A.Michalske, S.W.Freiman, A molecular mechanism for stress corrosion in vitreous silica, J.Am. Ceram. Soc. 66, 284-288 (1983).

[28] C.R.Kurkjian, J.T.Krause, M.J.Matthewson, Strength and fatique of optical fibres, J.Lightwave Technol., vol.7, 1360-1370 (1989)

[29] E.M.Dianov, et.al., Mechanical properties of chalcogenide glass optical fibers, Proc. SPIE, 1228, 92-100 (1990)

[30] J.Colaizzi, M.J.Matthewson, T.Iqbal, M.R.Shahriari, Mechanical properties of aluminum fluoride glass fibers, Proc. SPIE 1591, 26-33 (1991).

[31] N.Barkay, A.Katzir, Mechanical resistance of silver halide infrared fibers, Proc. SPIE 1592, 50-59 (1991)

[32] V.V.Rondinella, M.J.Matthewson, Effect of loading mode and coating on dynamic fatigue on optical fiber in two point bending, J. Am. Ceram. Soc. 76, 139-144 (1993)

[33] M.J.Matthewson, Optical fiber reliability models, Fiber Optics Reliability and Testing, Proc. SPIE, vol CR50, 3-31 (1994)

[34] M.J.Matthewson, Optical fiber mechanical testing techniques, Fiber Optics Reliability and Testing, Proc. SPIE, vol. CR50, 32-59 (1994)

[35] N.German, S.Yannacopoulos, Environmental effects on the mechanical integrity of optical fibers, Opt. Eng. 36, 1438-1442 (1997)

[36] R.Romaniuk, Tensile strength of tailored optical fibers, Opto Electronics Review, Nr 2, 2000, pp. 1013-1016

[37] Yao Bing, Kazumatsa Ohsono, Yoshinori Kumagai, Masa Tachikura, Low-loss holey fiber, Hitachi Cable Review, No 24 (August 2005)

[38] Mechanical stress and fiber strength, Polymicro Technologies (2005)



[39] R.Romaniuk, J.Dorosz, Kontrola geometrii światłowodów kapilarnych, Elektronika, nr 4, 2006; (i literatura tam zamieszczona)

[40] R.Romaniuk, J.Dorosz, Właściwości mechaniczne światłowodów kapilarnych, Elektronika nr 3, 2006; (i literatura tam zamieszczona)

[41] Bell T.L., Method and apparatus for measuring the refractive index and diameter of optical fibers, US Patent 3879128, 1973

[42] L.S.Watkins, Method for measuring the parameters of optical fibers, US Patent 3982816, 1976

[43] D.H.Smithgall, Monitoring and control of optical fiber diameters, US Patent 4046536, 1977

[44] E.F.Murphy, J.R.Portzer, System for measuring optical waveguide fiber diameter, US Patent 4280827, 1981

[45] I.Joshimura, Y.Matsuda, Y.Chigusa, Method for controlling fiber diameter during optical fiber drawing process, US Patent 5073179, 1991

[46] G.Grego, Method of and apparatus for continuously monitoring diameter variations of an optical fiber beig drawn, US Patent 4523938, 1985

[47] G.E.Smith, Method of monitoring fiber tension by measuring fiber vibration frequency, US Patent 5079433, 1992

[48] K.Tsuneishi, Y.Iwamura, Method and apparatus for detecting irregular part of optical fiber, US Patent 5449393, 1995

[49] M.B/Cain, R.Kannabiran, E.H.Urruti, Method and apparatus for coating optical fibers, US Patent 4867775, 1989

[50] A.M.Nakamura, T.M.Silberberg, M.R.Vince, T.Carmely, Automated method of clasifying optical fiber flaws, US Patent 5172421, 1992

[51] L.J.Button, J.B.Dotson, B.W.Reding, C.W.Wightman, Method for detecting defects in fibers, US Patent 5185636, 1993

[52] K.Tsuneishi, Y.Iwamura, Method and apparatus for detecting irregular part of optical fiber, US Patent 5449393, 1995



Rozdział 5

Zastosowania światłowodów kapilarnych


Światłowody kapilarne przeżywają burzliwy okres wzrostu zainteresowania badawczego i technicznego wraz z rozwojem fotoniki i inżynierii mikrosystemów. Fotonika obejmuje SK jako medium specjalizowanego transportu i przetwarzania fali optycznej, w tym przetwarzania nieliniowego. Inżynieria mikrosystemów obejmuje SK jako medium równoczesnego transportu zarówno materii, od pojedynczych atomów i cząsteczek, po strumień płynu, jak i fali optycznej, oraz dobrze ograniczone i ściśle zdefiniowane miejsce oddziaływania pomiędzy materią i falą. W szczególności, oddziaływanie to odbywa się dla dobrze określonego gradientu fali optycznej. Cechy SK, możliwości dalszego rozwoju, ich obecna i potencjalna rola w fotonice i inżynierii mikrosystemów są wystarczającym powodem bardzo szerokich i ciągle rozszerzających się zastosowań technicznych.

Niektóre z zastosowań kapilary optycznej wywodzą się wprost z klasycznych kapilarowych technik chemicznych takich jak stosowane od dawna w chemii analitycznej i spektroskopii, w tym: chromatografia gazowa i cieczowa, elektroforeza kapilarna, mikrochemia. Niektóre z tych technik zostały rozwinięte w kierunku zastosowań układów mikrooptyki, np. penseta optyczna, mikromanipulatory, mikrodyspensery, mikropipety, nebulizatory, lub większych systemów funkcjonalnych, jak mikrosystemy moems, itp. Dużym obszarem zastsosowań SK są czujniki światłowodowe i optoelektroniczne oraz elementy funkcjonalne techniki światłowodowej, optyczne i mechaniczne elementy sprzęgające, transformatory modów. SKF mają, ciągle niespełnione jeszcze, szanse zastosowania w nowej generacji fotonicznej telekomunikacji światłowodowej. Zupełnie odrębne obszary zastosowań SK to transmisja dużej mocy optycznej i zastosowania w konstrukcji laserów światłowodowych oraz optyka atomowa, fala deBroglie i transmisja koherentnego strumienia zimnych atomów.


5.1 Zjawisko kapilarne i klasyczne techniki kapilarowe

Kapilara fizyczna to dostatecznie cienka rurka, tak że ciecz w jej wnętrzu podlega oddziaływaniu mikroskopowych sił lokalnych tj.: oddziaływania ze ściankami, kohezji międzycząsteczkowej, napięcia powierzchniowego. Siły oddziaływania cieczy z powierzchnią rurki dominują nad zjawiskami wewnątrz cieczy. Ogólnie oddziaływania lokalne dominują nad siłą grawitacji i ciśnieniem hydrostatycznym. Profil prędkości przepływu cieczy w kapilarze jest paraboliczny. W kapilarze przepływ nie spełnia prawa Bernoulliego hydrodynamiki płynu idealnego (zasada zachowania energii). W kapiarze zachodzi zjawisko kondensacji kapilarnej.

Siły występujące w zjawisku kapilarnym mają charakter molekularny i ich zasięg jest współmierny. Są to siły przyciągające lub odpychające o kierunku prostopadłym do ścianek kapilary. W kapilarze zorientowanej pionowo, siły są osiowo symetryczne horyzontalnie i powodują reakcję cieczy w kierunku pionowym. Molekuły przyciągane do ścianek kapilary zmuszają inne molekuły do przesunięcia we wszystkich kierunkach powodując także wypiętrzenie cieczy na powierzchni ścianek kapilary. To wypiętrzenie jest tylko częściowo kompensowane przez siły grawitacji. Ciecz jest wypiętrzona na powierzchni ścianek kapilary a siły kohezji pociągają za sobą resztę słupa cieczy. Obniżone ciśnienie hydrostatyczne na szczycie słupa cieczy jest kompensowane przez zakrzywienie powierzchni, w analogiczny sposób jak to się dzieje w bańce mydlanej. Średnia krzywizna powierzchni cieczy H jest związana ze zmianą ciśnienia Δp na powierzchni ze współczynnikiem proporcjonalności w postaci napięcia powierzchniowego σ: Δp=2σH. Zakrzywiona powierzchnia cieczy wytwarza ciśnienie określone wzorem Laplace-Younga: Δp=σdS/dV, gdzie dS jest zmianą powierzchni cieczy wywołaną zmianą objętości dV. Gdy ciecz spoczywa na powierzchni, podporze o kształcie dowolnym W, to powierzchnia cieczy S spotka się z powierzchnią podpory W pod kątem kontaktowym zwilżania θ, który zależy wyłącznie od materiału a nie od grawitacji, kształtu, czy grubości powierzchni podpory. Wysokość słupa cieczy h o napięciu powierzchniowym σ w cylindrycznej kapilarze o małej średnicy 2r, na jej osi, zanurzonej pionowo w nieograniczonym pojemniku z cieczą o gęstości ρ, określona jest w przybliżeniu wzorem Younga wynikającym z równowagi ciężaru słupa cieczy i sił napięcia powierzchniowego:

h=2σcosθ/ρgr, (1)

gdzie h-wysokość podciągania [m], σ-napięcie powierzchniowe [J/m2] lub [N/m], θ- kąt zwilżania, ρ-gęstość cieczy [kg/m3]. G-przyspieszenie ziemskie [m/s2]. Dla wody w kapilarze szklanej: σ=0,73 J/m2 dla T=20oC, θ=20o (0,35rad), ρ=103 kg/m3, g=9,8 m/s2 zachodzi w przybliżeniu: h≈14(mm2)/r(mm) co oznacza h=14 cm dla r=0,1 mm. Napięcie powierzchniowe, a wraz z nim zjawisko kapilarne zależy silnie od temperatury. Zmniejsza się ze wzrostem temperatury i spada do zera w temperaturze krytycznej, która dla wody wynosi Tkryt=374,2 oC. Kapilara techniczna jest ogólnie dowolną rurką o niewielkiej średnicy wewnętrznej. W chemii analitycznej i spektroskopii kapilara jest wysokiej jakości elastyczną kwarcową (ultraczyste szkło krzemionkowe) rurką szklaną o średnicach wewnętrznych w zakresie od 1μm do 2000 μm (typowo od 2 μm do 700μm) pokrytą na zewnątrz ciągłą, dobrze zabezpieczającą powierzchnię szkła, warstwą poliamidową (lub inną polimerową) lub metalową. Zewnętrzne średnice kapilar są w granicach (90-3500) μm (typowo od 90 μm do 850 μm). Kapilary wykonuje się z naturalnego kwarcu topionego, syntetycznego kwarcu czystego i domieszkowanego, np. fluorem, szkła borokrzemionkowego i znacznie rzadziej (raczej do celów badawczych) ze szkieł miękkich, wysokokrzemionkowych.

Światowy rynek kapilar technicznych jest rzędu setek milionów Euro [18]. Sprzedawane są w szpulach, odcinkach, z konektorami. Zalety kapilar kwarcowych w zastosowaniach technicznych są następujące: mają znaczną wytrzymałość mechaniczną, są bardzo elastyczne, w pokryciu są odporne na ścieranie i zarysowanie, posiadają bardzo gładką powierzchnię wewnętrzną, powierzchnia wewnętrzna jest chemicznie niereaktywna i ma dużą czystość, może być wyciągana do dokładnie określonych wymiarów – wewnętrznych i zewnętrznych, wymiary są stabilne w funkcji długości, możliwa jest modyfikacja powierzchni wewnętrznej, nie ulegają załamaniu/złamaniu (utrata ciągłości kanału), są przezroczyste w zakresie od głębokiego UV do podczerwieni (po miejscowym usunięciu pokrycia – utworzenie okna transmisyjnego), mają wyjątkowo szeroki zakres odporności termicznej, są bardzo odporne na przebicia elektryczne, łatwo poddają się łamaniu i cięciu technologicznemu, są podatne na pokrycia przez różne grupy materiałów.

Idea zastosowania światłowodów kapilarnych jest związana z początkiem techniki światłowodowej. W pierwszej połowie lat siedemdziesiątych kapilary szklane wypełniano tetrą i w ten sposób budowano pierwszą generację niskostratnych światłowodów transmisyjnych o ciekłym rdzeniu. Próby takie przeprowadzano także u nas w kraju, a raport z wyników przedstawiono na pierwszym krajowym sympozjum techniki światłowodowej w Jabłonnie na początku roku 1976.

Renesans badań nad zastosowaniami światłowodów kapilarnych obserwuje się od kilkunastu ostatnich lat i jest to związane, początkowo, z postępami technologii światłowodów fotonicznych – budowanych jako multikapilary, a obecnie, z rozwojem mikro i nanosystemów MOEMS. W pierwszym rozwiązaniu obszar pusty w przekroju poprzecznym światłowodu wykorzystywany jest do dwóch celów – transmisji mocy optycznej, oraz tworzenia cylindrycznego fotonicznego pasma zabronionego wokół powietrznego rdzenia. W drugim rozwiązaniu w otworze kapilarnym transmisji podlega nano-masa reaktywna oraz prowadzona jest optyczna fala zanikająca (współbieżna lub przeciwbieżna z przepływem materii).

Wiele z idei zastosowań światłowodów kapilarnych pochodzi wprost ze znacznie starszych rozwiązań i zastosowań klasycznej techniki kapilarowej. Wiele nowszych wynika już wyłącznie z unikatowych możliwości związanych ze współbieżnym i przeciwbieżnym prowadzeniem intensywnej, jednodomowej, spolaryzowanej, koherentnej fali optycznej w mikroobszarze otworu kapilarnego, łącznie z przepływem tym samym mikro lub nanootworem minimalnych ilości materii.

Klasyczne kapilary z ultraczystego szkła krzemionkowego są stosowane w następujących technikach (coraz częściej te techniki uzupełniane są o metody optyczne):

- chemia analityczna – kapilara szklana jest podstawowym elementem w chromatografii gazowej i ciekłej, elektroforezie kapilarnej, cytometrii przepływowej, hybrydowych metodach chemii analitycznej, gdzie kapilara stanowi interfejs i łączy różne techniki pomiarowe, a także w wielu innych metodach;

- chromatografia gazowa, technika fazowej (gaz, ciecz, ciało stałe) separacji fizycznej stosowana w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym, petrochemicznym, badaniach klinicznych, itp. – stosowane są kapilary o wymiarach wewnętrznych (50-750) μm, typowe kolumny chromatograficzne stosują kapilary o wymiarach (180-530) μm; zastosowanie kapilar optycznych zwiększa możliwości pomiarowe;

- elektroforeza kapilarna, jest połączeniem metody separacji elektroforetycznej z chromatograficzną i polega na wykorzystaniu różnicowego współczynnika migracji składników badanych próbek wewnątrz kapilary pod wpływem pola elektrycznego [1] – stosowane są kapilary, z okienkami do transmisji UV, o rozmiarach wewnętrznych w zakresie (2-150) μm i standaryzowanych rozmiarach zewnętrznych 150 μm oraz 375 μm;

- dostarczanie mikropróbek gazu i cieczy – linie transmisyjne niewielkich ilości materii stosowane ze względu na takie cechy kapilar jak odporność na wysokie temperatury i korozję chemiczną oraz małe wymiary, a także stosunkowo duża elastyczność torów transmisji i możliwość współpracy z planarnymi mikrolaboratoriami chemicznymi;

- systemy mikrodozowników leków i odczynników chemicznych do mikro reaktorów – możliwość tworzenia obwodów zamkniętych, zapewnienie dużego poziomu czystości, nie-zanieczyszczające środowisko, duży i ciągły zakres kształtowania wymiarów od nm do mm;

- systemy połączonych mikrokomórek przepływowych – kapilary o małych średnicach wewnętrznych są dobrym ośrodkiem do uporządkowanej transmisji kontrolowanej ilości materii pomiędzy pojedynczymi komórkami przepływowymi. Szeroka przezroczystość spektralna kapilar kwarcowych pozwala na kolumnową detekcję nawet w zakresie głębokiego UV;

- reometry kapilarne [16] – służą do badania deformacji i przepływu materii w mikro i nanoskali ;

- precyzyjne układy ograniczenia przepływu – kapilara pozwala na bardzo dokładną kontrolę przepływu masy zgodnie z równaniem Poiseuille’a;

- mikropipety – kapilary są szeroko używane jako pipety o rożnych zakończeniach, np. typu Pasteura lub tworzonych we własnym zakresie, w badaniach neurologicznych, itp.;

-elementy mikrofluidyki kapilarnej – istotna jest tutaj budowa precyzyjnych rozgałęziaczy kapilarnych tras przepływu substancji;

- wiskometry kapilarne;

- światłowody o ciekłym rdzeniu – cienka kapilara szklana jest wysoce giętkim kontenerem dla ciekłego rdzenia optycznego o większym współczynniku załamania, energia optyczna jest transmitowana w ciekłym rdzeniu;

- światłowody dziurawe (puste) – pokrycie powierzchni wewnętrznej kapilary metalem szlachetnym i/lub dielektrykiem tworzy relatywnie tani światłowód dla zakresu średniej i dalekiej podczerwieni;

- płytki mikrokapilarowe są używane w układach optyki dla promieniowania synchrotronowego X;

- mikroizolatory – kapilary są używane do pokrycia miejscowego przewodników w celu zapewnienia izolacji elektrycznej ponad 25 kV/mm. Kapilary bez pokrycia polimerowego i aluminiowego wytrzymują ciągłe temperatury pracy ponad 1000oC. Z pokryciem Al mogą pracować do temperatury 500oC, a polimerowym do 300oC.

- mikroelementy łączące w technice laserowej i światłowodowej – kapilary są kształtowane za pomocą promienia laserowego, np. w kwadratowy otwór, służą do precyzyjnych połączeń światłowodów i innych kapilar o mniejszej średnicy;

- elementy mikrooptyki – znalazły zastosowania instrumentalne w detektorach promieniowania optycznego, precyzyjnych elementach mechanicznych do justowania optycznego, itp.;

- kapilarne falowody do transmisji dużej mocy w zakresie podczerwieni [2,3] – dostarczanie mocy fali elektromagnetycznej do miejsc niedostępnych o niewielkich wymiarach.

Oprócz kapilar klasycznych stosowane są techniki membran kapilarnych (np. Gore-Tex).
5.1.1 Rodzaje i budowa SK dla zastosowań chemicznych

Klasyczna kapilara kwarcowa (dostępna na rynku w dużym wyborze wymiarów zewnętrznych i wewnętrznych, a produkowana przez kilka firm) jest najbardziej podstawowym rodzajem światłowodu kapilarnego [18]. Efektywna transmisja optyczna jest zapewniana przez poliamidowe (lub inne polimerowe, np. silikonowe) pokrycie zewnętrzne o współczynniku załamania mniejszym od szkła kapilary.

Klasyczna kapilara kwarcowa może mieć część zewnętrzną domieszkowaną fluorem w celu obniżenia współczynnika załamania światła w jej obszarze obwodowym. Fala świetlna ma rozkład maksimum natężenia przesunięty w kierunku otworu kapilary. Zwiększa się głębokość wnikania oraz natężenie fali zanikającej w obszar otworu.

Nowe rodzaje kapilar fotonicznych mają mikrootwory lub refrakcyjne warstwy Bragga cylindrycznie ułożone wokół otworu centralnego. Dwa rodzaje propagacji fali świetlnej wykorzystują mechanizm refrakcyjny i mechanizm zabronionego pasma fotonicznego. Przy propagacji refrakcyjnej układ powietrze-szkło tworzy cylindryczne obszary o odpowiednio ukształtowanym efektywnym współczynniku załamania umożliwiające tworzenie układu rdzeń-płaszcz optyczny. Przy propagacji fotonicznej, w ramach dozwolonego pasma propagacji optycznej, fala optyczna jest transmitowana w powietrzu w otworze kapilarnym lub w szklanym rdzeniu pierścieniowym przyległym do otworu kapilary.

Kapilara optyczna może być wypełniona różnym materiałem. Jeśli rdzeń tworzy ciekły kryształ, to otrzymujemy światłowód nieliniowy. Z takiego światłowodu można budować fotoniczne elementy funkcjonalne, jak np. kontrolery polaryzacji [14], przesuwniki fazy, przełączniki. Powierzchnia wewnętrzna kapilary może być gładka lub zniekształcona periodycznie pod względem mechanicznym lub refrakcyjnym. Taki światłowód może stanowić materiał do budowy efektywnych sprzęgaczy braggowskich [15]. Światłowód kapilarny może mieć kilka otworów kapilarnych. W otworach nie prowadzących fali optycznej może być wbudowany przewodnik lub półprzewodnik. Badania takich elementów są prowadzone dla zastosowań na modulatory fali świetlnej, falowody hybrydowe i elementy dla telekomunikacji światłowodowej [17]. Kapilary optyczne mogą posiadać skomplikowaną wewnętrzną strukturę refrakcyjną [6].

Istotną cechą światłowodów kapilarnych, ze względu na charakter zastosowań, jest fluorescencja. Światłowody kapilarne krzemionkowe, o niskiej zawartości grup hydroksylowych, wykazują fluorescencję przy oświetleniu światłem 254 nm. Fluorescencja praktycznie nie występuje w światłowodach o znacznej zawartości OH- dla długości fal pobudzania większych niż 290 nm [19]. Znaczna fluorescencja jest obserwowana w światłowodach kapilarnych ze szkła borokrzemionkowego.

Pokrycie zewnętrzne światłowodu kapilarnego ma znaczenie dla jego wytrzymałości mechanicznej. Pod względem optycznym odgrywa rolę w kapilarach optycznych bezpłaszczowych. Niektóre rodzaje światłowodów kapilarnych pokryte są teflonem, który pod względem refrakcyjnym odgrywa rolę płaszcza. Z czystym szkłem krzemionkowym daje światłowód o aperturze numerycznej NA=0,66. Pokrycie teflonowe jest przezroczyste do ponad 214 nm. Większość światłowodów kapilarnych jest pokrywana poliamidem. Pokrycie jest przezroczyste optycznie do (450-550) nm, w zależności od jakości poliamidu. Apertura numeryczna z czystym szkłem krzemionkowym wynosi NA=0,22. Dla długości fali 350 nm poliamid jest praktycznie nieprzezroczysty. Dodatkowo poliamid wykazuje znaczny poziom fluorescencji dla szerokiego zakresu długości fal pobudzających. Z tego względu pokrycia poliamidowe mają zastosowania ograniczone. Pokrycie poliamidowe ma lepsze właściwości mechaniczne niż teflonowe.

Dla światłowodu kapilarnego fundamentalne znaczenie ma rodzaj powierzchni wewnętrznej kapilary [18]. W niektórych przypadkach, powierzchnia wewnętrzna kapilary (np. pokrycie metalowe lub wiele warstw dielektrycznych) decyduje o sposobie propagacji fali optycznej w światłowodzie. Po wyciągnięciu, powierzchnia wewnętrzna światłowodu kapilarnego jest sucha i niezanieczyszczona. Podczas cięcia lub łamania kapilary istnieje niebezpieczeństwo zanieczyszczenia wewnętrznej powierzchni mikrookruchami szkła. Bezpośrednio po produkcji powierzchnia wewnętrzna kapilary optycznej posiada mostki siloksanowe Si-O-Si. Residualne grupy silanolowe Si-OH są izolowane. W takich warunkach mówimy o aktywacji lub dezaktywacji powierzchni wewnętrznej kapilary.

Po wyciągnięciu, powierzchnia wewnętrzna kapilary wykazuje aktywność w wiązaniu wody, podlegając całkowitej hydroksylacji. Dezaktywacja powierzchni wewnętrznej kapilary optycznej może polegać na dodatku kowalentnie związanych ligandów z powierzchnią, w celu redukcji adsorpcji analitu. Wytworzenie równomiernego rozkładu populacji grup silanolowych na powierzchni wewnętrznej kapilary nazywane jest (w technice elektroforezy kapilarnej) kondycjonowaniem. Kondycjonowaniem podstawowym (wymywaniem) nazywany jest proces usuwania adsorbentów i odświeżania powierzchni poprzez deprotonację grup silanolowych.

Pokrywanie powierzchni wewnętrznej kapilary optycznej warstwą związaną kowalentnie, wykorzystuje reakcje silanizacji za pomocą metoksysilanów, etoksysilanów, chlorosilanów. Celem procesów wiązania warstwy kowalentnej jest stabilizacja, eliminacja lub kształtowanie wymaganego poziomu przepływu elektroosmotycznego.


5.1.2 Techniki manipulacji laboratoryjnej kapilarą optyczną

Cięcie kapilar optycznych przebiega podobnie jak klasycznych światłowodów. Najprostszą techniką jest łamanie adiabatyczne, gdzie wydzielana podczas łamania energia jest dostateczna do utworzenia jedynie pojedynczej, gładkiej powierzchni bez odprysków. Narzędzie tnące dokonuje penetracji pokrycia poliamidowego i zarysowuje powierzchnię szkła, rysą o wymiarze submikronowym. Ostrze narzędzia tnącego jest wykonane najczęściej z ultratwardej ceramiki lub diamentu. Po zarysowaniu powierzchni szkła na włókno kapilarne wywierana jest niewielka osiowa siła rozciągająca łamiąca włókno. Najczęstszym błędem podczas łamania włókna optycznego jest jego wyginanie po zarysowaniu. Powstaje wówczas niejednorodna powierzchnia przełomu. Złej jakości przełom generuje znaczną ilość okruchów szkła o różnych rozmiarach. Część z tych okruchów dostaje się do otworu kapilarnego, niszcząc jego ciągłość lub uszkadzając (zarysowując) wewnętrzną powierzchnię. Prowadzi to do dalszych niekontrolowanych przełomów kapilary. Okruchy szkła mogą być przesunięte przez przepływ gazu lub cieczy wewnątrz kapilary na znaczne odległości od miejsca oryginalnego przełomu, powodując uszkodzenia sytemu mikrotransportowego na znacznych odległościach.

Konektorowanie i łączenie kapilary wymaga dopasowania rdzeni optycznych i otworów, a w przypadku transmisji materii, zapewnienia szczelności połączenia. W technice zastosowań kapilar klasycznych opracowano szereg standardów ich łączenia. W technice chromatografii gazowej używa się konektora typu Swagelok oraz Inner-Loks. W pewnych przypadkach można adaptować te techniki do kapilar światłowodowych. Połączenia te polegają na dociskowym łączeniu odcinków kapilar z wykorzystaniem podłoża polimerowego poliamidowego lub typu Peek.

Łączenie światłowód klasyczny – światłowód kapilarny odbywa się typowo poprzez światłowodowy konwerter modów. Rolę konwertera może pełnić np. stożek wykonany ze światłowodu kapilarnego. Stożek sprzęgany jest wymiarowo węższą częścią ze światłowodem klasycznym jednomodowym. Rdzeń jednomodowy pobudza cały rdzeń pierścieniowy światłowodu kapilarnego. Z drugiej strony konwerter modów ma rozmiary dopasowane do dołączanego kapilarnego światłowodu transmisyjnego.

Rozgałęzienia światłowodów kapilarnych muszą z jednej strony brać pod uwagę ciągłość otworu kapilarnego, a z drugiej strony straty połączeń. Klasyczne rozgałęziacze kapilarne budowane są w układzie litery T (kąt prosty), podczas gdy wymagania strat złączy optycznych wymagają połączeń typu Y pod stosunkowo niewielkim kątem .
5.1.3. Nanodyspensery, pipety i pęsety kapilarne

Kapilara optyczna została wykorzystana w różnych rozwiązaniach technicznych jako mikrodozownik materiałów do pikolitrów. Proces dozowania może być kontrolowany drogą optyczną. Produkowane są światowodowe pipety kapilarne o cylindrycznym, prostokątnym i wielokrotnym otworze, te ostatnie do oddzielnego podawania lub pobierania składników reagentów i analitu. Składniki mogą być aktywowane optycznie.



a)

b) c)

Rys.1. Kształt końcówek i techniki manipulacji nanodyspenserem kapilarnym o różnych kształtach kanału dozującego; a) kształty końcówek pipet światłowodowych [47]; b) Mikrokrople siarczanu miedzi (1 μm średnicy) osadzone za pomocą optycznego mikrodozownika kapilarnego na naturalnie pasywowanej powierzchni krzemu; c) rekrystalizacja mikrokropli [13].

Za pomocą mikrokapilary, na podłożu krzemowym osadzano nanokrople kryształów jonowych, np. CuSO4 [13]. Prowadzone są próby osadzania polimerów przewodzących, metali w postaci soli. Najmniejsze uzyskane struktury rekrystalizowane były poniżej 1μm. Stosowane optyczne mikropipety kapilarne i wyniki osadzania przedstawiono na rys. 1.



1   ...   35   36   37   38   39   40   41   42   ...   53


©operacji.org 2017
wyślij wiadomość

    Strona główna