Linear cavity tapered fiber sensor using phase shift cavity ring down spectroscopy

Bu tez Bragg ızgaralar ve sündürülmüş life dayanan doğrusal optik çınlaç algılayıcısını tanıtmaktadır. Bu tezde algılama yöntemi olarak evre kaydırmalı çınlaç boşalım izgegözlem yöntemi kullanılmıştır. Doğrusal yapısı ve uygulanan algılama mekanizması sebebiyle tüm çalışma ''evre kaydırmalı çınlaç boşalım izgegözlem yöntemi ve sündürülmüş optik lif temelli doğrusal çınlaç algılayıcısı'' olarak adlandırılmıştır. Tezin ilk kısmı, literatürde mevcut olan optik algılamaya dayalı deneysel araştırma çalışmalarına dayanmaktadır. Gözden geçirilen teknikler arasında yüzey plazmon çınlaması (SPR), çınlaç dalga boyu kayması, doğrudan emilim izgegözlemi, çınlaç boşalım izgegözlemi (CRDS) ve çınlaç ile arttırılmış soğurma izgegözlemi (CEAS) gibi çeşitleri bulunmaktadır. Bu teknikler, her birinin sahip olduğu faydalar ve performanslarını kısıtlayan diğer sınırlamalara bağlı olarak değerlendirilmiştir. Örneğin, yüzey plazmon çınlaması tek geçiş yaklaşımına dayanır, ancak bu özelliği en büyük kısıtlamasıdır. Çoklu geçişi esas alan çınlama dalga boyu kayması yöntemi ise yeterince hassas olmasına rağmen, lazerin şiddet değişiminden olumsuz etkilenebilir. Öte yandan, çınlaç boşalım izgegözleminde bu tür kısıtlamalar yoktur ancak oldukça maliyetli ve karmaşık bir tekniktir. Fakat evre kaymalı çınlaç boşalım izgegözlemi (PS-CRDS), CRDS ve çınlaç dalga boyunun avantajlarını birleştirmekle beraber diğer yöntemlerde karşılaşılan sorunlara çözüm sunmaktadır. Bu yöntem, ekonomik açıdan uygulanabilirdir ve ayrıca lazer şiddetindeki salınımlardan olumsuz etkilenmemektedir. Bu tezde CRDS yönteminin matematiksel temeli de ayrıca ele alınmıştır. Bunlara ek olarak bu bölümde lif Bragg ızgara üretimi, incelemesi, sündürülmüş lif ve sönen alan incelenmesi yer almaktadır. Tezin ikinci bölümünde ise sündürülmüş optik lif çınlacı ile gerçekleştirilen deneysel çalışmalar yer almaktadır. Yaptığımız çalışmada PS-CRDS yöntemiyle sudaki sukroz derişimini yüksek hassasiyette ölçebilen sündürülmüş lif temelli doğrusal çınlaç kullanılmıştır. Lazer taraması sırasında iletim ve evre izgegözleminde elde edilen çınlama kiplerinin tek tek gözlemlenmesi ve takip edilmesi için çınlaç uzunluğu yeterince küçük tasarlanmıştır (⁓1.25 m). Bu sayede lazer kaynağının Pound-Drever-Hall kilitlenmesi ihtiyacı ortadan kalkmakta ve daha basit bir deneysel düzenek elde edilmektedir. Kaydedilen verinin analizi için lazer dalgaboyu çınlaç kipleri ile çınlamadayken evre kaymalarındaki değişimler gözlenmiştir. Bu kip-takip PS-CRDS yöntemi ile yaklaşık 400 μM'den daha düşük algılama hassasiyeti elde edilmiştir. Bu değer sakaroz derişimi algılaması için daha önce önerilen lif döngü çınlacı kullanan PS-CRDS performansından daha iyidir. Geliştirdiğimiz lif algılayıcının hassasiyeti temel olarak sündürülmüş lifin çapına bağlıdır ve yaklaşık 3.2 μm lif çapı için 6°/1mM Sakaroz değeri elde edilmiştir. Burada lif Bragg ızgaralarının (FBG) yansıtma oranları %86'dır ve modülasyon sıklığı 6 MHz olarak ayarlanmıştır. Ölçülen sakaroz hassasiyeti FBG'lerin yansıtma oranlarının arttırılması ya da sündürülmüş lif çapının küçültülmesi ile daha da iyi değerlere çıkarılabilir. Sıvı ortamda ince lif çapı, suyun soğurmasından kaynaklı çınlaç kayıplarını arttırılabilir ancak bu kayıplar bir yükseltici yardımı ile baskılanabilir. Bu tip çınlaçlarda görülen kayıpların, saçılma, optik bileşenler, lif kaynaştırma ya da suyun soğurmasından kaynaklandığı bilinmektedir. Bu kayıplar daha düşük lif çaplarında daha da önemli hale gelmektedir. Bu tür kayıpları gidererek, 2 μm'den daha düşük çaplarda çalışabilmek mümkündür. Tezin son bölümünde, yukarıda bahsedilen şartların uygulanması ve sistemin çalışması örnek deneylerle anlatılmıştır. Temel olarak, optik kayıpları baskılamak amacıyla tasarlanan PS-CRDS deney düzeneğine optik yükseltici (BOA) eklenmiştir. BOA, kazanç değeri dikkatlice ayarlandıktan sonra çınlaç boşalım süresini arttırmakta ve ışığın çınlaç içerisinde daha fazla dolaşabilmesini sağlamaktadır. Bu da ölçüm hassasiyetinin artmasına ve algılama limitinin daha da düşük değerlere ulaşmasına imkan sağlamaktadır. Yükseltici eklenmiş PS-CRDS ölçümlerinde 2 μm sündürülmüş lif çapı ve 2 MHz kipleme sıklığında 4.84°/1mM sakaroz hassasiyeti elde edilmiştir. BOA kazanç değeri daha yüksek seviyelere çıkarılarak ve daha da ince sündürülmüş lif kullanılarak daha iyi hassasiyet değerleri elde edilebilir. Tezin son kısmında, elde edilen sonuçlar değerlendirilmiş ve gelecekte PS-CRDSe dayalı algılayıcı ve algılama tekniğin performansını arttırmaya yönelik önerilere yer verilmiştir. Bu kapsamda, PS-CRDS tekniğinin potansiyel uygulamaları ve ölçüm ucu olarak sündürülmüş lifin yerini alabilecek uygun adaylar değerlendirilmiştir. Bu uygulamalarla geliştirilen cihazın performansının arttırılması mümkündür.