Zainteresowaniem grupy badawczej – Laboratorium Czujników Światłowodowych – są zastosowania różnego rodzaju światłowodów oraz optymalizacja samych światłowodów pod kątem budowy czujników. Badania obejmują zarówno prace symulacyjne i projektowe, jak i prace związane z wytwarzaniem światłowodów oraz ich wykorzystaniem w czujnikach. W laboratorium zrealizowano m.in. czujniki do pomiaru stężenia etanolu, do bez znakowego pomiaru stężenia biomarkerów, do pomiaru stężenia gazów oraz do pomiaru współczynnika załamania cieczy. Rozwijana są też dwójłomne włókna światłowodowe oraz włókna z zapisanymi siatkami Bragga, które mogą znaleźć zastosowanie w różnego rodzaju czujnikach optycznych.

Tematyka badawcza

Punktem wyjścia budowy czujników są różnego rodzaju włókna światłowodowe, jakie projektujemy i wytwarzamy.

Przykład światłowodów opracowanych przez grupę badawczą: a) światłowód z rdzeniem mikrostrukturalnym, b) światłowód fotoniczny z rdzeniem szklanym, c) światłowodów fotoniczny z pustym rdzeniem, d) światłowód z dwoma rdzeniami, e) światłowód z zawieszonym rdzeniem, f) całoszklany światłowód fotoniczny, g) światłowód dwójłomny, h) światłowód antyrezonansowy z pojedynczymi kapilarami, i) światłowód antyrezonansowy z podwójnymi kapilarami.

Każdy ze światłowodów potencjalnie może być częścią składową czujnika. Przy czym, światłowód może być wykorzystany zarówno jako element, którego zadaniem jest jedynie doprowadzenie i odebranie światła do i z właściwego czujnika, jak i właściwy element pomiarowy. W tym drugim przypadku, mierzoną wielkość należy powiązać z jakąś własnością fali elektromagnetycznej, która ulega zmianie, np.: natężeniem, fazą, polaryzacją lub długość fali lub ze zmianą warunków propagacji światła w światłowodzie.

Czujnik natężeniowy

Przykładem czujnika, który wykorzystuje zmianę natężenia światła jest np. czujnik do bez znakowych pomiarów biologicznych. Wykorzystany jest w tym przypadku włókno z zawieszonym rdzeniem. Wzrost warstwy biologicznej na rdzeniu włókna powoduje zmianę współczynnika załamania światła wokół rdzenia światłowodu. Zmieniają się w ten sposób warunki propagacji i w efekcie część światła ucieka z rdzenia. Obserwowany na wyjściu światłowodu spadek natężenia świadczy jest proporcjonalny do grubości warstwy biologicznej jaka osadziła się na rdzeniu. Na podobnej zasadzie można też zbudować czujnik do określenia stężenia konkretnej substancji biologicznej, np. białka. Chcąc stwierdzić czy w danej próbce znajduje się np. dane białko, trzeba w jakiś sposób uwrażliwić światłowód na tą konkretną substancję. Stosuje się w tym celu technikę funkcjonalizacji. Polega ona na pokryciu części rdzenia substancją, która wybiórczo zwiąże się tylko z danym białkiem. Obserwowany na wyjściu światłowodu zmiana natężenia świadczy nie tylko o tym, że dane białko występuje w badanym roztworze ale pozwala także określić koncentrację danego białka.

Natężeniowy czujnik do bez znakowych pomiarów biologicznych oparty na włóknie z zawieszonym rdzeniem: a) prowadzenie światła w rdzeniu włókna, b) ucieczka światła do warstwy biologicznej, c) zależność osłabienia wiązki od grubości osadzonej warstwy.

Czujnik fazowy

Przykładem czujnika światłowodowego, który wykorzystuje zmianę fazy światła jest np. czujnik do pomiaru koncentracji etanolu w wodzie. Czujnik zbudowany został na włóknie z zawieszonym rdzeniem. Aby umożliwić swobodny dostęp badanej cieczy do rdzenia, część włókna wytrawiono. Zmiana koncentracji etanolu w wodzie zmienia współczynnik załamania cieczy. Jednak zmiana ta jest na tyle mała, że pomiar natężeniowy jest niewystarczający. Dlatego pomiaru dokonuje się w układzie interferometrycznym. W jednej gałęzi interferometru znajduje się światłowód z odsłoniętym rdzeniem. Zmiana koncentracji powoduje zmianę współczynnika załamania, co skutkuje zmianą warunków propagacji i w efekcie zmianą drogi optycznej. Druga gałąź, referencyjna, ma stałą długość. Wynik interferencji obu sygnałów na wyjściu czujnika daje możliwość określenia koncentracji etanolu w wodzie.

Interferencyjny czujnik koncentracji etanolu w wodzie: a) światłowód z zawieszonym rdzeniem przed trawieniem, b) wytrawiony światłowód, c) układ interferometryczny, d) wynik pomiaru koncentracji. 

Publikacje

T. Osuch, A. Anuszkiewicz, D. Zakrzewski, A. Filipkowski, J. Olszewski, P. Mergo, D. Pysz, R. Kasztelanic, R. Buczynski, Enhancement of spectral response of Bragg gratings written in nanostructured and multi-stepped optical fibers with radially shaped GeO2 concentration, Opt. Express, 28(10), 14774-14787 (2020).

D. Michalik, T. Stefaniuk, R. Kasztelanic, R. Buczynski, Polarization maintaining optical fiber with anisotropic core compatible with SMF-28 standard, JOSA B, 37(5), 1502-1509 (2020).

J. Hu, G. Gu, Y. Liu, X. Song, Z. Song, X. Yang, D. Xiao, S. Yang, J. Feng, R. Buczyński, M. Śmietana, T. Lang, L. Shao, Dual Mach-Zehnder interferometer based on side-hole fiber for high-sensitivity refractive index sensing, IEEE Phot. Jour., 11(6), 7105513 (2019).

M. Nikodem, G. Gomolka, M. Klimczak, D. Pysz, R. Buczynski, Demonstration of mid-infrared gas sensing using anti-resonant hollow core fiber and quantum cascade laser, Opt. Express, 27(25), 36350-36357 (2019).

D. Dobrakowski, G. Stepniewski, R. Kasztelanic, R. Buczynski, M. Klimczak, Birefringence of nonlinearity in all-normal dispersion photonic crystal fibers, J. Opt., 21 125502 (2019).

T. Osuch, A. Anuszkiewicz, K. Markowski, A. Filipkowski, D. Pysz, R. Kasztelanic, R. Stepien, M. Klimczak, R. Buczynski, Inscription of Bragg gratings in nanostructured graded index single-mode fibers, Opt. Express 27(10), 13721-13733 (2019).

R. Kasztelanic, A. Filipkowski, D. Pysz, R. Buczynski, Optical fibers with an open side channel by wet etching, Opt. Express, Opt. Express 26(25), 32374-32387 (2018).

H.V. Le, V.C. Long, H.T. Nguyen, A.M. Nguyen, R. Buczyński, R. Kasztelanic, Application of ethanol infiltration for ultraflattened normal dispersion in fused silica photonic crystal fibers, Laser Phys. 28 115106 (2018).

A. Anuszkiewicz, R. Kasztelanic, A. Filipkowski, G. Stepniewski, T. Stefaniuk, B. Siwicki, D. Pysz, M. Klimczak, R. Buczynski, Fused silica optical fibers with graded index nanostructured core, Sci. Rep 8, 12329 (2018).

H.L. Van, R. Buczynski, V.C. Long, M. Trippenbach, K. Borzycki, A. N. Manh, R. Kasztelanic, Measurement of temperature and concentration influence on the dispersion of fused silica glass photonic crystal fiber infiltrated with water-ethanol mixture, Opt. Comm. 407, 417-422 (2018).

L.C. Van, A. Anuszkiewicz, A. Ramaniuk, R. Kasztelanic, K.D. Xuan, V.C. Long, M. Trippenbach, R. Buczyński, Supercontinuum generation in photonic crystal fibres with core filled with toluene, J. Opt. 19, 125604 (2017).

J. Pniewski, A. Ramaniuk, R. Kasztelanic, M. Śmietana, M. Trippenbach, R. Buczyński, Applicability of suspended-core fibres for attenuation-based label-free biosensing, Opt. Comm. 402, 290-295 (2017).

J. Pniewski, T. Stefaniuk, H. Le Van, V. Cao Long, L. Chu Van, R. Kasztelanic, G. Stepniewski, A. Ramaniuk, M. Trippenbach, R. Buczynski, Dispersion engineering in nonlinear soft glass photonic crystal fibers infiltrated with liquids, Appl. Opt. 55(19), 5033-5040 (2016).

G. Stępniewski, I. Kujawa, M. Klimczak, T. Martynkien, R. Kasztelanic, K. Borzycki, D. Pysz, A. Waddie, B. Salski, R. Stępień, M.R. Taghizadeh, R. Buczyński, Artificially anisotropic core fiber with ultra-flat high birefringence profile, Opt. Mat. Express, 6(5), 1464-1479 (2016).

R. Buczyński, M. Klimczak, T. Stefaniuk, R. Kasztelanic, B. Siwicki, G. Stępniewski, J. Cimek, D. Pysz, R. Stępien, Optical fibers with gradient index nanostructured core,  Opt. Express, 23(20), 25588-25596 (2015).