Mid-infrared integrated photonic sensors of water and ice films for harsh environments

Abstract

L'engelament sobre certes superfícies de les aeronaus, com per exemple ales, fuselatge o motors és un problema seriós ja que provoca una pèrdua d'eficiència i de sustentació aerodinàmica de l'aparell i que, per tant, pot arribar a causar accidents. La formació de gel sobre aeronaus és causada majoritàriament per microgotes en subfusió (és a dir, en estat líquid per sota de 0 ºC) de les quals estan constituïts certs tipus de núvols que els avions necessiten creuar abans d'arribar a l'altitud idònia de vol. El risc que suposa el procés d'engelament sobre els avions ha fet que la indústria aeronàutica tracti de pal·liar els seus efectes negatius per mitjà de diversos sistemes de protecció. Bàsicament, existeixen de tres tipus: 1) recobriments especials per reduir l'adhesió del gel sobre les superfícies on són aplicats, 2) sistemes actius per fondre el gel que s'ha format o evitar que es formi i 3) sensors per detectar la presència de gel abans que resulti perillosa. En aquesta Tesi es proposa un innovador sensor fotònic integrat que opera a l'IR-mitjà per a la detecció de gel a les ales dels avions (encara que podria ser implementat a d'altres parts) d'una forma ultraràpida (de l’ordre de segons) i ultrasensible (sub-mililimètrica) que és capaç de suportar les condicions severes que es donen durant el vol. El fet que el sensor estigui basat en fotònica integrada, és a dir en una guia d'ona connectada a fibres òptiques, garanteix una mida reduïda i una sensibilitat superior a la d'altres tipus de sensors. A més, el sensor opera a l'IR-mitjà, en un rang espectral (longitud d'ona 3 - 4 μm) proper la vibració molecular OH de l'aigua que és molt dependent de variacions en la seva estructura i fase (líquida o sòlida). Per mitjà de simulacions electromagnètiques es demostra el mecanisme de detecció de gel i que el sensor és capaç de detector gel a escala micromètrica i diferents tipus de capes de gel amb estructures més o menys homogènies. De fet, es demostra a través de simulacions que pot diferenciar entre aigua, gel clear (homogeni) i gel rime (porós). Les simulacions també donen idea dels paràmetres del sensor a optimitzar i dels valors més apropiats per a una detecció de gel més sensible de cara a l'etapa de fabricació. La guia d'ona, que és l'element principal del sensor, és fabricada amb tecnologia de fabricació 3D amb polsos de femtosegons (3DLW) a dins d'un substrat de quars vitri (fused silica). Aquesta tècnica resulta ser la més apropiada ja que permet realitzar circuits fotònics en les tres dimensions de manera que connexió amb les fibres òptiques es pot realitzar a sota del nivell de superfície a monitorar. Per una altra banda, com que les guies no sobresurten del substrat, tenen un cert nivell de protecció contra l'erosió externa soferta pels avions i el sensor pot ser anivellat amb l'ala per reduir al màxim les pertorbacions. Aquest tipus de guia d'ona i la seva utilització per aplicacions a l'IR-mitjà també és un aspecte nou de la Tesi. Per aquest motiu, la guia d'ona s'estudia en detall, tant les seves característiques més aplicades (pèrdues, canvi d'índex de refracció, etc.) com les més fonamentals relacionades amb el seu origen estructural. Un cop la guia d'ona és fabricada, s'afegeixen de manera adequada la resta d'elements (fibres òptiques, làsers, detectors) que conformen el sensor. Un prototip inicial és primer experimentalment testejat en condicions estàtiques per tal de corroborar el principi bàsic de detecció i que és capaç de detectar canvis de fase entre aigua líquida i gel. Els experiments ho corroboren i, fins i tot, demostren que el sensor pot diferenciar entre aigua i aigua en subfusió. Més tard, un segon prototipus que s'integra en un model d'ala d'avió que es sotmet a experiments d'engelament en un túnel de vent on es recreen condicions realistes i núvols freds en vol. El sensor és capaç de detectar en un temps de l'ordre d'un segon la presència de gel format en diferents condicions de temperatura i velocitat. A més, el sensor presenta sensibilitat a la densitat del gel format cosa que pot associar-se al tipus de gel (clear o rime). Respecte a la seva robustesa, no s’observa un deteriorament en el seu rendiment tot i que es sotmet a temperatures de fins a -30 ºC i velocitats de 350 km/h. Per tancar la Tesi i demostrar que la fotònica integrada a l'IR-mitjà també pot contribuir de manera interessant en el camp de sensors de contaminants, es presenta un segon sensor. Aquest és una evolució del primer sensor de gel i es basa en l'excitació d'un plasmó superficial des de la guia d'ona fabricada amb 3DLW. L'ona plasmònica és suportada per una capa fina d'ITO dipositada sobre el substrat de quars. El plasmó permet incrementar la interacció entre llum i anàlit, de manera que la sensibilitat també s'incrementa. Encara que el sensor perd robustesa respecte al seu antecessor, no està originàriament concebut per treballar a l'exterior sinó en ambients controlats i poc exposats a l'erosió. Després de corroborar l'existència del plasmó superficial mitjançant simulacions, es fabrica un prototip i es posa a prova tant amb una font de supercontinu feta a la URV com amb un làser polaritzat segons la direcció adequada per a l'excitació òptima del mode plasmònic. El cas concret de detecció d'etanol en aigua s'estudia aconseguint un límit de detecció de l'ordre de 100 ppm sense utilitzar cap tipus de funcionalització de la superfície. El principi de detecció és el canvi en les condicions òptiques necessàries per excitar el plasmó que es produeix quan l'aigua és contaminada respecte de quan és pura mitjançant l'impacte sobre l'índex de refracció que té la ressonància molecular pròpia de l'etanol en el rang 3 - 4 μm.