title: D-Shaped optical fiber sensor via evanescent wave effect
Creators: name: Pulikottil Alex, Sarah
Publisher: name: TU Wien
Year: 2023
Subjects: subject: Faseroptischer Sensor
subject: Evaneszenzwelleneffekt
subject: D-förmige Faser
subject: Fiber optic sensor
subject: Evanescent wave effect
subject: D-shaped fiber

description: Optische Fasern werden für Sensoranwendungen eingesetzt, indem sie die Veränderungen physikalischer, chemischer und biologischer Parameter kontinuierlich überwachen. Faseroptische Sensoren (FOS) bieten die Möglichkeit, verschiedene Parameter wie Temperatur, Dehnung und Flüssigkeit mit einem einfachen Sensordesign zu messen. Die Messinformationen werden von optischen Sensoren durch Modulation der Intensität, Phase und Polarisation übertragen. Faseroptische Sensoren haben gegenüber konventionellen Sensoren den Vorteil, dass keine elektromagnetischen Störungen auftreten, dass sie auch unter rauen Umgebungsbedingungen messen können und dass sie ferngesteuert werden können. Diese Klasse von Sensoren ist aufgrund verschiedener einfacher Sensordesigns und Messverfahren, die die Erfassungsfähigkeit des Sensors verbessern, weit verbreitet.Das Ziel dieser Masterarbeit ist die Erforschung neuer Bereiche der auf dem Evaneszenzwelleneffekt basierenden Fasersensoren unter Verwendung einer speziellen optischen Faser. Es wird eine neuartige D-förmige optische Faser mit homogenem asymmetrischem Querschnitt über die gesamte Länge entwickelt. Dieser Fasertyp wird im Verlauf der Arbeit verwendet, um den Evaneszenzwelleneffekt für die Sensorik zu verstärken. Es werden verschiedene geometrische Konfigurationen der optischen Faser verwendet, um die Verbesserung der Erfassungsleistung zu untersuchen. Die Messung des Brechungsindex von Flüssigkeiten steht im Mittelpunkt der experimentellen Arbeit. Isopropanol und destilliertes Wasser sind die zu prüfenden optischen Medien für die Flüssigkeitssensorik. Es wird eine D-förmige Faser mit einer Länge von 20 cm verwendet, wobei ein 4 cm langer unbeschichteter Bereich im zentralen Teil der Faser als Sensorbereich dient. Der asymmetrisch angeordnete dünne Mantel verstärkt die Wechselwirkung des evaneszenten Feldes mit der äußeren Umgebung. Die Erfassungsleistung war polarisationsabhängig, wobei die vertikale Polarisation aufgrund des verstärkten Effekts der evaneszenten Wellen zu größeren Verlusten führte.Spektrale Messungen ergaben signifikante Veränderungen durch die Variation des physikalischen Parameters: des Brechungsindexes. Die Messung von Flüssigkeiten wie destilliertem Wasser und Isopropanol hilft bei der Quantifizierung des Gehalts dieser Arten von Verbindungen in ihrem Gemisch. Da destilliertes Wasser eine nicht reaktive und mit den meisten Chemikalien mischbare Flüssigkeit ist, kann es in Isopropanol leicht zu einer Verunreinigung kommen. Ein einfaches Verfahren auf der Grundlage von D- förmigen Fasern bietet eine Methode zur Messung solcher Verunreinigungen, indem die Änderungen der spektralen Intensität bei unterschiedlichen Anteilen der beiden Flüssigkeiten in einer Mischung untersucht werden. Die Wechselwirkung mit evaneszenten Wellen und damit die Empfindlichkeit von FOS wird durch die Implementierung einer U-förmigen Geometrie weiter verbessert. Die U-Bogen- Geometrie bietet eine höhere Empfindlichkeit aufgrund der Modenverschiebung, die durch die Biegung der Faser entsteht. Das Ziel dieser Arbeit ist es, neue Ansätze für die faserbasierte Messung von industriell wichtigen Materialien zu bieten.
description: Optical fibers are used for sensing applications by continuously monitoring the changes in physical, chemical and biological parameters. Fiber optic sensors (FOS) provide the possibility to measure various parameters like temperature, strain, liquid sensing with simple sensor design. The sensing information is transferred by optical sensors through modulation in intensity, phase, polarization. Optical fiber sensors have advantages compared to conventional sensors due to absence of electromagnetic interference, ability to sense in harsh environmental condition and remote sensing. This class of sensors are widely usable due to various simple sensor designs and measurement techniques available which improves the sensing capability of the sensor.The aim of this master thesis is to explore new areas of evanescent wave effect-based fiber sensor using a specialty optical fiber. A novel D-shaped optical fiber is developed with homogenous asymmetric cross-section along its whole length. This type of fiber is utilized throughout the course of the thesis to enhance the evanescent wave effect for sensing. Different geometrical configurations of the optical fiber are utilized to study the improvement in the sensing performance. Refractive index sensing of liquids is the major focus of the experimental work. Isopropanol and distilled water are the optical media under test for liquid sensing . A D-shaped fiber with a length of 20 cm is utilized with 4- cm long uncoated region in the central part of the fiber acting as the sensing region. The asymmetrically positioned thin cladding enhances interaction of evanescent field with the external environment. The sensing performance expressed polarization dependence with vertical polarization being prone to more losses due to the enhanced evanescent wave effectSpectral measurements revealed significant changes by varying the physical parameter: refractive index. Sensing liquids like distilled water and isopropanol helps to quantify the content of such kinds of compound in their mixture. Distilled water, being a non-reactive and miscible liquid in most chemicals, can easily be a source of contamination in isopro- panol. A simple approach based on D-shaped fiber sensing provides a method to meas- ure such contamination by studying the spectral intensity changes at different proportions of the two liquids in a mixture. The evanescent wave interaction and hence the sensitivity of FOS is further improved by the implementation of U-bend geometry. U-bend geometry offers higher sensitivity due to mode displacement that occurs with the bending of the fiber. The ambition of the work is to offer new approaches for fiber-based sensing of materials that are industrially important.