Światłowody kapilarne



Pobieranie 21,19 Mb.
Strona41/53
Data24.02.2019
Rozmiar21,19 Mb.
1   ...   37   38   39   40   41   42   43   44   ...   53


Rys. 2. Układ pomiarowy, schemat budowy oraz zmierzone charakterystyki mikrooptycznego modułu kapilarnego z ciekła mikrosoczewką. Fotografia pokazuje wyraźnie istnienie modów balistycznych, dla krótkiego odcinka światłowodu kapilarnego, oraz mody rdzeniowe, dla dłuższego odcinka światłowodu kapilarnego, lub równoważnie jako wynik działania mikrosoczewki, wówczas nawet dla krótkiego odcinka światłowodu; dane światłowodu: dane światłowodu: dz=300 μm, dw=260 μm, l1=50 mm, l2=300 mm. Mikrosoczewka jest wówczas np. silnym filtrem modów balistycznych. Zmierzone charakterystyki pokazują: (lewa) zmiany w transmisji mocy optycznej jako funkcji pozycjonowania mikrokropli; (prawa) zmiany w transmisji mocy optycznej w funkcji refrakcji mikrosoczewki: dane-objętość mikrosoczewki 300 nl, długość osiowa mikrosoczewki 0,9 mm, λ=670 nm. Rysunki zaczerpnięto z [1.136-144]. Detektor składa się z miernika mocy optycznej, kamery i mikroskopu, fotodiody o dużej powierzchni 3x3 mm, interfejsu optoelektronicznego.

Dotychczasowe wstępne wnioski z realizacji tej pracy są następujące. Światłowody kapilarne (działające równocześnie jak kapilary klasyczne) dające szerokie optyczne możliwości pomiaru oraz aktywnej, energetycznej interakcji z mikroskopową ilością transmitowanego medium materialnego, stanowią wręcz rewolucyjną przyszłość mikrofluidyki. Jak dotychczas światłowody kapilarne są stosunkowo jeszcze rzadko używane do budowy światłowodowych czujników amplitudowych. Wynika to zapewne z bardzo silnej dominanty ekonomicznej techniki kapilar klasycznych (rynek światowy tych kapilar to setki milionów dolarów) i konserwatyzmu ich użytkowników. Wydaje się jednak, że w przyszłości kapilary klasyczne zostaną po prostu w sposób naturalny uzupełnione o możliwości interakcji optycznej z transportowanym medium.
5.2.2. Refraktometria kapilarna

Refraktometria kapilarna ma szereg zalet w porównaniu z innymi metodami pomiaru refrakcji. Refraktometr kapilarny może być zintegrowany w układem mikrofluidyki. Przy pomiarze poprzecznym, kapilara skupia światło w sposób dynamiczny, gdy jest wypełniona cieczami o różnych refrakcjach. Refrakcja określana jest z maksymalnego ugięcia wiązki tworzonej przez granicę szkło – ciecz. Metoda zakłada dokładną znajomość parametrów kapilary: wewnętrznej i zewnętrznej średnicy, eliptyczności, osiowości. Kąt ugięcia jest mierzony metodą fotometryczną (granica cień – światło) zwykle z niedokładnością nie przekraczającą 1%. Ze względu na nieliniową zależność pomiędzy refrakcją a kątem rozpraszania, czułość pomiaru zmienia się w różnych zakresach pomiarowych.

Kapilara wypełniona płynem może być traktowana również jako układ dwóch soczewek tworzonych przez ścianki kapilary i średnicy zewnętrznej r1 i wewnętrznej r2 o refrakcji n1 kapilary i refrakcji n2 wypełnienia kapilary. Powiększenia obu soczewek są odpowiednio p1 i p2. Kapilara jest oświetlana przez dwie zbieżne wiązki dające prążki zlokalizowane w odległości ogniskowej soczewki kapilarnej. Prążki są transferowane do płaszczyzny obrazowej z powiększeniem p1 i p2, gdzie tworzony jest układ dwóch zestawów prążków: boczne o okresie hb i główne o okresie hg. Okres hg jest funkcjonalnie związany z głównym wzorem interferencyjnym określonym przez wielkości n1, n2, r1, r2. Okres hb jest określony wyłącznie przez r1 i n1. Refrakcję n2 cieczy wypełniającej kapilarę określa się z klasycznej zależności na ogniskową f kapilarnej soczewki dwuskładnikowej:

f-1=2[(r1-1-r2-1)(n1-1)+r2-1(n2-1)](3/(2n1+n2), (2)

skąd,

n2={6f[n1(r1-1-r2-1)-r­1-1}(1-6fr2-1)-1. (3)



Okresy prążków wynoszą hg=p1e i hb=p2e, gdzie e-odległość płaszczyzny obrazowej.

Przy pomiarze wzdłużnym mikrokropla w kapilarze tworzy soczewkę rozpraszającą lub skupiającą, zależnie od menisku. Między kroplami możliwe jest utworzenie rezonatora FP.

Metody intereferencyjne są odpowiednie przy małym i jednakowym tłumieniu obu interferujących wiązek światła. Jeśli jedna wiązka jest silnie tłumiona w czasie pomiaru, to kontrast prążków interferogramu jest mały i dokładność pomiaru jest niewielka. Kapilara optyczna pozwala na pomiar refrakcji małych próbek także materiałów nieobojętnych np. kwasy, alkalia, alkohole, oleje.

Na terenie KPO Politechniki Białostockiej rozpoczęto prace, we współpracy z ośrodkiem technologicznym, nad budową serii amplitudowych i fazowych modułów mikrooptycznych z zastosowaniem światłowodów kapilarnych. Badano wzorcowe refrakcje roztworu glukozy do kalibrowania czujnika. Konfigurację układu pomiarowego oraz zmierzoną krzywą kalibracyjną czujnika przedstawiono na rys. 3.



Krzywa kalibracyjna światłowodowego czujnika refraktometrycznego bazuje na zależności refrakcji molowej dla roztworu dwuskładnikowego:

, (4)

z czego bezpośrednio wynika współczynnik refrakcji



, (5)

gdzie n12 jest współczynnikiem załamania mieszaniny, 12 jest gęstością, R12 jest refrakcją molową, a M12 masą molową mieszaniny.



a) b)


1   ...   37   38   39   40   41   42   43   44   ...   53


©operacji.org 2017
wyślij wiadomość

    Strona główna