Ανάπτυξη αισθητήρων πλασμονίου οπτικών ινών γεωμετρίας U με την χρήση νανοσωματιδίων χρυσού

Abstract

In the context of this dissertation, we developed and studied a novel, fast and chemical/polymeric free LSPR-OFS manufacturing technique, which combines optical fibers in U geometry, gold nanoparticles and the use of pulsed laser radiation. This technique involves two steps: The first step is to modify the optical fiber in U geometry and then immobilize gold nanoparticles, by means of a dip coating of the fiber in the nanoparticle’s colloidal solution. The result of the first step is the creation of an LSPR-OFS, which is practically inoperable due to the extensive aggregation during the deposition process. Then, in the second step of the fabrication process, the sensor is irradiated by a pulsed laser, resulting in the dissociation of the aggregates, spectral narrowing of the LSPR extinction spectrum, and amplification of the plasmon peak. We call this novel technique "Tailoring Decorations by Laser Irradiation" (TDLI).The LSPR-OFS constructed using the TDLI technique were studied as Refractive Index (RI) sensors in sugar and alcohol solutions. During the optimization of the technique nanoparticle deposition and irradiation protocols were developed. Finally, a number of parameters were studied, such as nanoparticle size, deposition concentration, irradiation wavelength, and pulse duration. The results of these studies will help to further develop these sensors and lead to their widespread use outside the lab.

Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής αναπτύξαμε και μελετήσαμε μια πρωτότυπη, γρήγορη και χωρίς τη χρήση χημικών ή πολυμερών τεχνική κατασκευής LSPR-OFS, η οποία συνδυάζει οπτικές ίνες σε γεωμετρία U, νανοσωματίδια χρυσού και τη χρήση ακτινοβολίας παλμικών laser. Η τεχνική αυτή περιλαμβάνει δυο στάδια κατασκευής: Στο πρώτο στάδιο γίνεται η τροποποίηση της οπτικής ίνας σε γεωμετρία και ακολουθεί η ακινητοποίηση νανοσωματιδίων χρυσού πάνω της, με τη βοήθεια μιας τεχνικής εναπόθεσης μέσω εμβάπτισης (dip coating) της ίνας μέσα στο κολλοειδές διάλυμα των νανοσωματιδίων. Το αποτέλεσμα του πρώτου σταδίου είναι η δημιουργία ενός LSPR-OFS, που πρακτικά δεν είναι λειτουργικός, λόγω των εκτεταμένων συσσωματωμάτων που δημιουργούνται κατά τη διαδικασία της εναπόθεσης. Στη συνέχεια κατά το δεύτερο στάδιο της τεχνικής γίνεται ακτινοβόληση του αισθητήρα με τη βοήθεια παλμικών laser, που έχει σαν αποτέλεσμα το σπάσιμο των συσσωματωμάτων, το φασματικό στένεμα του LSPR φάσματος απωλειών και την ενίσχυση της πλασμονικής κορυφής. Ονομάσαμε την τεχνική που αναπτύξαμε ως «Διαμόρφωση σχηματισμών νανοσωματιδίων μέσω ακτινοβόλησης laser» (Tailoring Decorations by Laser Irradiation, TDLI).Οι LSPR-OFS που κατασκευάστηκαν με τη χρήση της TDLI τεχνικής μελετήθηκαν ως αισθητήρες μεταβολής του δείκτη διάθλασης (Refractive Index, RI) σε διαλύματα ζάχαρης και σε διαλύματα αλκοολών. Κατά τη διάρκεια βελτιστοποίησης της τεχνικής αναπτύχτηκαν πρωτόκολλα εναπόθεσης των νανοσωματιδίων πάνω στην ίνα και πρωτόκολλα ακτινοβόλησης των αισθητήρων. Τέλος μελετήθηκε μια σειρά παραμέτρων, όπως το μέγεθος των νανοσωματιδίων, η συγκέντρωση εναπόθεσης, το μήκος κύματος της ακτινοβολίας και η χρονική διάρκεια των παλμών. Τα αποτελέσματα των παραπάνω μελετών θα βοηθήσουν στην περαιτέρω ανάπτυξη αυτών των αισθητήρων και θα οδηγήσουν στην ευρεία χρήση τους και εκτός εργαστηριού.