Nanodiamond films for optical fiber sensors

• Autorzy: Majchrowicz D.

Warianty tytułu

PL

Czujniki światłowodowe wykorzystujące warstwy nanodiamentowe

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this article the use of nanodiamond films for interferometric optical fiber sensors has been presented. Nanodiamond is one of innovative materials that stimulate the progress in optoelectronic devices. One of the most promising nanodiamond classes is nanocrystalline diamond films. They have remarkable properties like optical transparency in a broad wavelength range, chemical stability and biocompatibility. Their conductivity and refractive index can be modified by doping with elements such as boron. The nanodiamond films were deposited using a Microwave Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (μPE CVD) system on silicon and glass substrates. A Fabry-Perot interferometer using such film as one of the cavity mirror was set up. The metrological properties of this interferometer have been examined with the use of two broadband light sources using superluminescent diodes working at λ1 = 1550 nm and λ2=1290 nm. Detection of the measured signal was performed by an optical spectrum analyzer. All devices were connected using SMF-28 single-mode fiber with a commercially available single-mode 2 by 2 coupler. The preliminary investigation of developed sensors have demonstrated their ability to operate in selected biophotonic applications.

PL

W artykule przedstawiono zastosowanie warstw nanodiamentowych w interferometrycznych czujnikach światłowodowych. Nanokrystaliczne warstwy diamentowe charakteryzują się wysoką twardością, stabilnością chemiczną, biokompatybilnością oraz transparentnością w szerokim zakresie promieniowania optycznego – od ultrafioletu do dalekiej podczerwieni. Mają mały współczynnik rozszerzalności termicznej oraz wysoką przewodność cieplną. Ponadto są chemicznie obojętne, odporne na ścieranie oraz posiadają duży, jak na optyczny materiał dielektryczny, współczynnik załamania. Ich przewodnictwo i współczynnik załamania światła można modyfikować poprzez domieszkowanie borem. Wykorzystane w pracy warstwy nanodiamentowe były syntezowane w procesie chemicznego osadzania z fazy gazowej wspomaganego plazmą mikrofalową (ang. Microwave Plasma-Assisted Chemical Vapor Deposition, MW PA CVD) na podłożach krzemowych oraz szklanych. Badania zostały przeprowadzone przy użyciu interferometru Fabry’ego-Perota wykorzystującego te warstwy jako powierzchnie odbijające. Właściwości metrologiczne tego interferometru zostały zbadane przy użyciu dwóch szerokopasmowych źródeł światła wykorzystujących diody superluminescencyjne pracujące przy λ1 = 1550 nm i λ2 = 1290 nm. Detekcję zmierzonego sygnału przeprowadzono za pomocą analizatora widma optycznego. Elementy systemu pomiarowego połączono za pomocą komercyjnie dostępnych telekomunikacyjnych światłowodów jednomodowych. Wstępne badania opracowanych czujników wykazały ich zdolność do działania w wybranych zastosowaniach biofotonicznych.

Słowa kluczowe

EN

nanodiamonds; optical fiber sensors

PL

czujniki światłowodowe; warstwy nanodiamentowe

• Wydawca: Wydział Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki Politechniki Gdańskiej
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe Wydziału ETI Politechniki Gdańskiej. Technologie Informacyjne
• Rocznik: 2018
• Tom: T. 23
• Strony: 34--39
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Majchrowicz D.

• Gdańsk University of Technology, Faculty of Electronics, Telecommunications and Informatics, Department of Metrology and Optoelectronics, Gabriela Narutowicza Street 11/12, 80-233 Gdańsk, Poland

Bibliografia

• [1] Poeggel S., Duraibabu D., Kalli K., Leen G., Dooly G., Lewis E., Kelly J., Munroe M.: Recent Improvement of Medical Optical Fibre Pressure and Temperature Sensors, Biosensors 5(3), 2015
• [2] Karpienko K., Wróbel M. S., Jedrzejewska-Szczerska M.: Determination of refractive index dispersion using fiber-optic low-coherence Fabry–Perot interferometer: implementation and validation, Opt. Eng. 53(7), 2014.
• [3] Egorov S. A., Mamaev A. N., Likhachiev I. G.: Highly reliable self-calibrated signal processing method for interferometric fiber optic sensors, Proc. SPIE 2594, 1996.
• [4] Ficek M., Sobaszek M., Gnyba M., Ryl J., Gołuński Ł., Smietana M., Jasiński J., Caban P., Bogdanowicz R.: Optical and electrical properties of boron doped diamond thin conductive films deposited on fused silica glass substrates, Appl. Surf. Sci. 387, 2016.
• [5] Bogdanowicz R.: Characterization of optical and electrical properties of transparent conductive boron-doped diamond thin films grown on fused silica, Metrol. Meas. Syst. 21(4), 2014.
• [6] Milewska D., Karpienko K., Jędrzejewska-Szczerska M.: Application of thin diamond films in low-coherence fiber-optic Fabry Pérot displacement sensor, Diam. Relat. Mater. 64, 2016.
• [7] Milewska D., Karpienko K., Sobaszek M., Jędrzejewska-Szczerska M.: Biophotonic lowcoherence sensors with boron-doped diamond thin layer, Proc. SPIE 9702, 2016.
• [8] Sobaszek M., Skowroński Ł., Bogdanowicz R., Siuzdak K., Cirocka A., Zięba P., Gnyba M., Naparty M., Gołuński Ł., Płotka P.: Optical and electrical properties of ultrathin transparent nanocrystalline boron-doped diamond electrodes, Opt. Mater. 42, 2015.
• [9] Bogdanowicz R., Sobaszek M., Ficek M., Kopiec D., Moczała M., Orłowska K., Sawczak M., Gotszalk T.: Fabrication and characterization of boron-doped nanocrystalline diamond-coated MEMS probes, Appl. Phys. A 122(4), 2016.
• [10] Niedziałkowski P., Bogdanowicz R., Zięba P., Wysocka J., Ryl J., Sobaszek M., Ossowski T.: Melamine-modified Boron-doped Diamond towards Enhanced Detection of Adenine, Guanine and Caffeine, Electroanalysis 28(1), 2016.
• [11] Pecková K., Musilová J., Barek J.: Boron-Doped Diamond Film Electrodes—New Tool for Voltammetric Determination of Organic Substances, Crit. Rev. Anal. Chem. 39(3), 2009.
• [12] Sukhadolau A. V., Ivakin E.V., Ralchenko V. G., Khomich A. V., Vlasov A. V., Popovich A. F.: Thermal conductivity of CVD diamond at elevated temperatures, Diam. Relat. Mater. 14(3-7), 2005.
• [13] Checoury X., Néel D., Boucaud P., Gesset C., Girard H., Saada S., Bergonzo P.: Nanocrystalline diamond photonics platform with high quality factor photonic crystal cavities, Appl. Phys. Lett. 101(17), 2012.
• [14] Stotter J., Haymond S., Zak J. K., Show Y., Cvackova Z., Swain G. M.: Optically transparent diamond electrodes for UV-Vis and IR spectroelectrochemistry, Electrochem. Soc. Interface 12(1), 2003.
• [15] Amaral M., Dias A. G., Gomes P. S., Lopes M. A., Silva R. F., Santos J. D., Fernandes M. H.: Nanocrystalline diamond: In vitro biocompatibility assessment by MG63 and human bone marrow cells cultures, J. Biomed. Mater. Res. A 87(1), 2008.
• [16] Milewska D., Karpienko K.: The use of thin diamond films in fiber-optic low-coherence interferometers, IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 104(1), 2016.
• [17] Grattan K. T. V., Meggitt B. T.: Optical Fiber Sensor Technology, Springer Netherlands, 1995.
• [18] Hariharan P.: Optical Interferometry, Academic Press: San Diego, 2003.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).