Spectroscopy in photonic materials – microstructured optical fibers

The spectroscopic applications of microstructured optical fibers (mainly suspended-core optical fibers) are the topic of this paper. The core of such fibers is surrounded by hollow tunnels, which allow filling them with other substances. Light propagating through the fiber can thus interact with the medium in the cavities by means of evanescent wave. This interaction enables the observation of absorption spectra of the medium present in the tunnels.In the first part of the work theoretic basics of light propagation through a variety of optical fibers are presented.The second part of the thesis discusses the problem of optimization of the fiber structure so that maximal evanescent wave power is achieved. Numerical simulations were conducted, in which the fiber shape was described by several parameters. The purpose of those calculations was to determine which parameters have the greatest impact on the power of light interacting with the medium in the holes.In the last part of the work absorption spectra of two different substances were measured using fibers of the same type. Based on SEM images of this fiber, a computer model of its structure was created. It was then used in further simulations, which led to theoretical reconstruction of absorption spectra, with the influence of higher-order modes taken into account.

W pracy podjęto temat zastosowania światłowodów mikrostrukturalnych z zawieszonym rdzeniem w spektroskopii absorpcyjnej cieczy. Światłowody te posiadają puste kanały otaczające rdzeń, które można wypełniać obcymi substancjami. Światło propagujące się w rdzeniu oddziałuje z medium wypełniającym kanały poprzez falę zanikającą powstającą na granicy ośrodków, dzięki czemu możliwa jest rejestracja widm absorpcyjnych.Pierwsza część stanowi teoretyczne wprowadzenie zagadnień związanych z propagacją światła w różnego typu światłowodach.W drugiej części omawiany jest problem optymalizacji struktury geometrycznej światłowodów z zawieszonym rdzeniem pod kątem maksymalnego oddziaływania światła z ośrodkiem wypełniającym kanały wokół rdzenia. Przeprowadzono symulacje numeryczne, w których kształt włókna uzależniono od szeregu parametrów, w celu ustalenia, które z nich mają największy wpływ na moc fali zanikającej dla dwóch modów podstawowych.W ostatniej części przeprowadzono pomiary doświadczalne z wykorzystaniem konkretnego światłowodu z zawieszonym rdzeniem. Następnie, korzystając ze zdjęć tego włókna ze skaningowego mikroskopu elektronowego, stworzono komputerowy model jego struktury, który posłużył do przeprowadzenia kolejnych symulacji. Na ich podstawie odtworzono teoretycznie widma dla różnych substancji i porównano wyniki z eksperymentem, analizując wpływ modów wyższych rzędów na uzyskane widma.