طراحی و شبیه سازی حسگر گاز با حساسیت بالا براساس ساختار کریستال فوتونی
چکیده
شناسایی و تعیین مقدار اتم ها، مولکول ها یا غلظت یون ها در نمونه های گازی برای کاربردهای پزشکی، صنعتی، زیست محیطی و کنترل آلودگی ها یک نیاز اساسی است. در دهه های اخیر توجه زیادی به حسگر های گاز فیبر نوری برای کاربردهای اخیر شده است. در این کاربرد ها حسگرهای نوری برای گازهایی مانند متان، اسیتیلن، آمونیاک، دی اکسید سولفور، اکسیدهای نیتروژن و هیدروکربن ها و همچنین برای آشکارسازی مایعاتی همچون آب دریا، ایجاد شده اند. در زمینه حسگری فیبر نوری، فیبرهای کریستال فوتونی که دارای ساختاری متناوب از حفره های هوایی درون پوسته خود هستند درجه آزادی و انعطاف پذیری بالایی را در طراحی نشان داده اند. همچنین به علت وجود حفره های هوایی و امکان نفوذ نمونه های گازی یا مایع به درون حفره ها و برهم کنش آن ها با نور، طول برهم کنش افزایش می یابد و بدون نیاز به داشتن فیبرهای با طول زیاد حساسیت به طور چشم گیری افزایش می یابد. این پایان نامه بر روی طراحی و شبیه سازی حسگرهای جدید برمبنای فیبر کریستال فوتونی برای تحقق هم زمان حساسیت بیشتر و تلفات تحدید کم تر تمرکز می کند. روش المان محدود به علت دقت ثابت شده ی آن در تحلیل فیبرهای کریستال فوتونی، برای تحلیل پارامترهای حسگری استفاده شده است. سه طرح فیبر کریستال فوتونی هدایت نمایه به منظور افزایش حساسیت نسبی و کاهش تلفات تحدید پیشنهاد شده است. در دو طرح اول حفره ها در آرایش شش ضلعی و در طرح سوم در آرایش هشت ضلعی قرار گرفته اند. در طرح اول در طول موج µm 1.55 به حساسیت 55% و تلفات تحدید db/m 3-10×1.16 برای pcf پیشنهادی با فاصله میان حفره ای µm 1.6 رسیده ایم. هرچند میزان حساسیت بالا است اما ناحیه موثر مودی به علت فاصله کوچک بین حفره ای ، کم می شود. در طرح دوم نقص حلقه ای با شاخص بالا برای تحقق هم زمان حساسیت بالا و تلفات تحدید اندک به مرکز فیبر اعمال می شود. همچنین برای افزایش بیشتر میزان حساسیت از حفره های شش ضلعی به جای حفره های دایره ای در درونی ترین حلقه استفاده می شود. در طول موج µm 1.33 که در خط جذب متان قرار دارد به حساسیت نسبی 13.23% و تلفات تحدید db/m 6-10×3.77 دست یافته ایم. همچنین درشبیه سازی این طرح پاشیدگی ماده سیلیکا و شیشه ژرمانوسیلیکات را برای محاسبه دقیق تر شاخص موثر مود در نظر گرفته ایم. در طرح سوم از آرایش هشت ضلعی حفره های هوایی استفاده کرده ایم و برای ساختار بهینه به حساسیت نسبی 9.33% و تلفات تحدید db/m 4-10×6.8 در طول موج µm 1.5 رسیده ایم. همچنین برای طرح سوم اثر نوسانات 5%± قطر حفره های درونی ترین حلقه و حفره های قرارگرفته در لبه هشت ضلعی ها که در فرآیند ساخت بیشترین احتمال خطا را دارند را بررسی کرده ایم. فیبر پیشنهادی به علت حساسیت نسبی زیاد و تلفات اندک برای کاربرد در حسگری گاز بسیار سودمند خواهد بود.