Analysis and implementation of long period fiber grating and fresnel reflection-based sensors for refractive index measurement of liquids

Abstract

Refractive index (RI) is one of the physical properties of material, such as boiling/ melting point, density, and elasticity. As one of the distinctive features of the material, measurement of the RI is nowadays used in many areas including the food, oil and petro-leum industry, biomedical applications, and environmental analysis. In recent years, fiber optic based refractometers become highly popular thanks to the advantages they provide compared to other methods used in the above-mentioned fields. In this context, two intrinsic fiber optic refractive index sensors were investigated in this thesis: long-period fiber grating (LPFG) based- and Fresnel reflection based- re-fractometers. The former examines the changes in the resonant wavelength interrogated by an Optical Spectrum Analyzer (OSA) whereas the latter uses SMF tip as sensing point interrogated by an Optical Time-Domain Reflectometer (OTDR) from a distant location. In the framework of the thesis, we first of all, provided a detailed field-specific literature survey giving an overview of the fiber optic-based refractive index sensors. Then, the operation principles of LPFG were studied including the modelling aspects of this sensing element. For this purpose, transmission spectra of LPFGs to external refrac-tive index changes have been simulated employing the two-layer fiber geometry. Next, the principles of Fresnel reflection-based sensor were investigated. Finally, experimental work was realized on different concentrations of glucose-water, glycerol-water solutions, and various chemicals. Our experimental results show an excellent agreement with the theory which demonstrated the capability of measuring RI of liquids for both methods investigated in the scope of thesis.

Kırılma indisi maddenin kaynama noktası, erime noktası, yoğunluk ve esneklik gibi fiziksel özelliklerinden biridir. Malzemenin ayırt edici bir özelliği olan kırılma indi-sinin ölçümü gıda, yağ ve petrol endüstrisi, biyomedikal uygulamalar ve çevresel analiz-ler de dahil olmak üzere günümüzde birçok alanda kullanılmaktadır. Son yıllarda, fiber optik tabanlı refraktometreler, yukarıda sözü edilen alanlarda kullanılan diğer yöntemlere kıyasla sağladıkları avantajlar sayesinde oldukça yaygın hale gelmiştir. Bu bağlamda, tezde uzun periyotlu fiber ızgara (LPFG)- ve Fresnel yansıma- tabanlı refraktometreler olmak üzere iki içsel fiber optik kırılma indisi sensörü incelen-miştir. Birinci yöntem bir Optik Spektrum Analizörü (OSA) tarafından sorgulanan rezo-nans dalga boyundaki değişiklikleri incelerken, ikinci yöntem uzak bir konumdan bir Op-tik Zaman-Bölgesi Reflektometresi (OTDR) tarafından sorgulanan tek modlu bir fiber (SMF) ucunu algılama noktası olarak kullanmaktadır. Tez çerçevesinde, öncelikle, fiber optik tabanlı kırılma indisi sensörlerine genel bir bakış sağlayan ayrıntılı, alana özgü bir literatür araştırması yapılmıştır. Daha sonra, LPFG’nin çalışma prensipleri, bu algılama elemanının modelleme yönleri de dahil olmak üzere sunulmuştur. Bu amaçla, LPFG'lerin iletim tayflarının harici kırılma indisi değişik-liklerine olan cevabı iki katmanlı fiber geometrisi kullanılarak simüle edilmiştir. Daha sonra Fresnel yansıma-tabanlı kırılma indisi sensörünün prensipleri çalışılmıştır. Son olarak, farklı konsantrasyonlarda glikoz-su, gliserin-su çözeltileri ve çeşitli kimyasallarla kırılma indisi ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Teori ile mükemmel bir uyum gösteren deneysel sonuçlar bu tez kapsamında araştırılan sensörlerin sıvıların kırılma in-disini ölçme yeteneğini başarıyla ortaya koymuştur.