Author(s):
Santos, Diego Filipe De Nóbrega Dos
Date: 2017
Persistent ID: http://hdl.handle.net/10400.13/1740
Origin: DigitUMa - Repositório da Universidade da Madeira
Project/scholarship:
info:eu-repo/grantAgreement/FCT/SFRH/SFRH%2FBD%2F85068%2F2012/PT;
Subject(s): Optical fiber sensor; Surface plasmon resonance; Numerical simulation; Metamaterials; Nanoplasmonics; Multiparameter sensing; Sensores de fibra óptica; Ressonância plasmónica de superfície; Simulação numérica; Meta-materiais; Nano-plasmões; Deteção multi-parâmetro; Automation and Instrumentation; .; Faculdade de Ciências Exatas e da Engenharia; Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia Eletrotécnica, Eletrónica e Informática
Description
This thesis investigates how to improve the performance of current designs of optical fiber sensors based on Surface Plasmon Resonance, and how to use a better understanding of the physical and sensing principles behind them to propose new sensing concepts and ideas. We adopt a methodology based on numerical simulations because they provide a better insight onto the operation of these sensors and because they allow an easy and quick way of testing new designs and concepts without the need to fabricate the sensors. We also show that these simulations have a good agreement with experimental results. We adopt a systematic approach to investigate the various parameters that influence the sensor performance, and present different sensors designs, where we study the localization, optical properties, shape and size of the metal components, combined with different type of fibers, resulting in the coupling between the plasmon and optical modes. Furthermore, we verify that choosing the optical modes used in sensing in multimode fibers can also have advantages. We investigate the use of modern artificial materials, such as metamaterials, as well as the inclusion of multiple wires in the fiber to enhance the performance of the SPR sensor. At a more fundamental level, we show that the control of the coupling between multiple plasmon modes in metal components and the optical modes in the fiber constitutes a new way to improve the performance of the sensor and can be inclusively used to develop a new type of SPR sensors capable of measuring simultaneously two variables, such as the external refractive index and temperature
Esta tese investiga como é possível melhorar o desempenho das estruturas atuais dos sensores de fibra ótica baseados em Ressonância Plasmónica de Superfície (SPR), bem como compreender melhor os princípios físicos e de sensorização na base do seu funcionamento, permitindo propor novos conceitos de sensores. Foi utilizada uma metodologia baseada em simulações numéricas, pois proporcionam um melhor entendimento do funcionamento desses sensores, constituindo uma maneira simples e rápida de testar novas estruturas e conceitos, sem a necessidade de fabricar os sensores. Mostra-se também que essas simulações têm uma boa concordância com os resultados experimentais. Foi adotada uma abordagem em que se investiga sistematicamente os diversos parâmetros que influenciam o desempenho do sensor e se apresentam diferentes estruturas de sensores onde foram estudadas a localização, propriedades óticas, forma e tamanho dos componentes metálicos, combinados com diferentes tipos de fibras, resultando no acoplamento entre os modos plasmónicos e os modos óticos. Também foi verificado que a escolha dos modos óticos utilizados na deteção em fibras multimodo pode apresentar vantagens. Foi investigado ainda o uso de materiais artificiais recentemente desenvolvidos, de que são exemplo os metamateriais, bem como, a inclusão de múltiplos fios metálicos na fibra, de forma a melhorar o desempenho dos sensores SPR. A um nível mais fundamental, foi demonstrado que o controlo do acoplamento entre os múltiplos modos plasmónicos gerados nos componentes metálicos e os modos óticos propagados na fibra constitui uma nova forma de melhorar o desempenho do sensor. Tal pode ser inclusivamente utilizado para desenvolver um novo tipo de sensores SPR capazes de medir simultaneamente duas variáveis, como por exemplo o índice de refração externo e a temperatura.
