Temperature Sensing Using Colloidal-Core Photonic Crystal Fiber

We report on a temperature sensor based on the monitoring of the luminescence spectrum of CdSe/ZnS nanocrystals, dispersed in mineral oil and inserted into the core of a photonic crystal fiber. The high overlap between the pump light and the nanocrystals as well as the luminescence guiding provided by the fiber geometry resulted in relatively high luminescence powers and improved optical signal-to-noise ratio (OSNR). Also, both core end interfaces were sealed so as to generate a more stable and robust waveguide structure. Temperature sensitivity experiments indicated a 70 pm/degrees C spectral shift over the 5 degrees C to 90 degrees C range.

Novel Sealing Technique for Practical Liquid-Core Photonic Crystal Fibers

In this letter, we describe a simple and effective technique to prevent evaporation in liquid-core photonic crystal fibers (PCFs). The technique consists of using a micropipette to deploy a micro-droplet of an ultraviolet curable polymer adhesive in both core inputs. After it is cured, the adhesive creates sealing polymer plugs with quite satisfactory insertion loss (overall optical transmission of about 15%). Processed fibers remained liquid-filled for at least six weeks. From a practical point of view, we conducted a supercontinuum generation experiment in a water-core PCF to demonstrate a 120-minute spectral width stability and the ability to withstand at least 3-mW average power at the sealed fiber input. Similar experiments carried out with nonsealed fibers produced supercontinuum spectra lasting no longer than 10 minutes, with average powers kept below 0.5 mW to avoid thermally induced evaporation.

Self assembled monolayers for engineering of structured inorganic materials in the micrometer and submicrometer range

Deutsch:In der vorliegenden Arbeit konnten neue Methoden zur Synthese anorganischer Materialien mit neuartiger Architektur im Mikrometer und Nanometer Maßstab beschrieben werden. Die zentrale Rolle der Formgebung basiert dabei auf der templatinduzierten Abscheidung der anorganischen Materialien auf selbstorganisierten Monoschichten. Als Substrate eignen sich goldbedampfte Glasträger und Goldkolloide, die eine Mittelstellung in der Welt der Atome bzw. Moleküle und der makroskopischen Welt der ausgedehnten Festkörper einnehmen. Auf diesen Substraten lassen sich Thiole zu einer monomolekularen Schicht adsorbieren und damit die Oberflächeneigenschaften des Substrates ändern. Ein besonderer Schwerpunkt bei dieser Arbeit stellt die Synthese speziell auf die Bedürfnisse der jeweiligen Anwendung ausgerichteten Thiole dar.Im ersten Teil der Arbeit wurden goldbedampfte Glasoberflächen als Template verwendet. Die Abscheidung von Calciumcarbonat wurde in Abhängigkeit der Schichtdicke der adsorbierten Monolage untersucht. Aragonit, eine der drei Hauptphasen des Calciumcarbonat Systems, wurde auf polyaromatischen Amid - Oberflächen mit Schichtdicken von 5 - 400 nm Dicke unter milden Bedingung abgeschieden. Die einstellbaren Parameter waren dabei die Kettenlänge des Polymers, der w-Substituent, die Bindung an die Goldoberfläche über Verwendung verschiedener Aminothiole und die Kristallisationstemperatur. Die Schichtdickeneinstellung der Polymerfilme erfolgte hierbei über einen automatisierten Synthesezyklus.Titanoxid Filme konnten auf Oberflächen strukturiert werden. Dabei kam ein speziell synthetisiertes Thiol zum Einsatz, das die Funktionalität einer Styroleinheit an der Oberflächen Grenze als auch eine Möglichkeit zur späteren Entfernung von der Oberfläche in sich vereinte. Die PDMS Stempeltechnik erzeugte dabei Mikrostrukturen auf der Goldoberfläche im Bereich von 5 bis 10 µm, die ihrerseits über die Polymerisation und Abscheidung des Polymers in den Titanoxid Film überführt werden konnten. Drei dimensionale Strukturen wurden über Goldkolloid Template erhalten. Tetraethylenglykol konnte mit einer Thiolgruppe im Austausch zu einer Hydroxylgruppe monofunktionalisiert werden. Das erhaltene Molekül wurde auf kolloidalem Gold selbstorganisiert; es entstand dabei ein wasserlösliches Goldkolloid. Die Darstellung erfolgte dabei in einer Einphasenreaktion. Die so erhaltenen Goldkolloide wurden als Krstallisationstemplate für die drei dimensionale Abscheidung von Calciumcarbonat verwendet. Es zeigte sich, dass Glykol die Kristallisation bzw. den Habitus des krsitalls bei niedrigem pH Wert modifiziert. Bei erhöhtem pH Wert (pH = 12) jedoch agieren die Glykol belegten Goldkolloide als Template und führen zu sphärisch Aggregaten. Werden Goldkolloide langkettigen Dithiolen ausgesetzt, so führt dies zu einer Aggregation und Ausfällung der Kolloide aufgrund der Vernetzung mehrer Goldkolloide mit den Thiolgruppen der Alkyldithiole. Zur Vermeidung konnte in dieser Arbeit ein halbseitig geschütztes Dithiol synthetisiert werden, mit dessen Hilfe die Aggregation unterbunden werden konnte. Das nachfolgende Entschützten der Thiolfunktion führte zu Goldkolloiden, deren Oberfläche Thiol funktionalisiert werden konnte. Die thiolaktiven Goldkolloide fungierten als template für die Abscheidung von Bleisulfid aus organisch/wässriger Lösung. Die Funktionsweise der Schutzgruppe und die Entschützung konnte mittels Plasmonenresonanz Spektroskopie verdeutlicht werden. Titanoxid / Gold / Polystyrol Komposite in Röhrenform konnten synthetisiert werden. Dazu wurde ein menschliches Haar als biologisches Templat für die Formgebung gewählt.. Durch Bedampfung des Haares mit Gold, Assemblierung eines Stryrolmonomers, welches zusätzlich eine Thiolfunktionalität trug, Polymerisation auf der Oberfläche, Abscheidung des Titanoxid Films und anschließendem Auflösen des biologischen Templates konnte eine Röhrenstruktur im Mikrometer Bereich dargestellt werden. Goldkolloide fungierten in dieser Arbeit nicht nur als Kristallisationstemplate und Formgeber, auch sie selbst wurden dahingehend modifiziert, dass sie drahtförmige Agglormerate im Nanometerbereich ausbilden. Dazu wurden Template aus Siliziumdioxid benutzt. Zum einen konnten Nanoröhren aus amorphen SiO2 in einer Sol Gel Methode dargestellt werden, zum anderen bediente sich diese Arbeit biologischer Siliziumoxid Hohlnadeln aus marinen Schwämmen isoliert. Goldkolloide wurden in die Hohlstrukturen eingebettet und die Struktur durch Ausbildung von Kolloid - Thiol Netzwerken mittels Dithiol Zugabe gefestigt. Die Gold-Nanodrähte im Bereich von 100 bis 500 nm wurden durch Auflösen des SiO2 - Templates freigelegt.

Untersuchung der lateralen Organisation und Phasenumwandlung von festkörperunterstützten Lipidmembranen

Im ersten Teil der Arbeit wurde das Bindungsverhalten von Annexin A1 und Annexin A2t an festkörperunterstützte Lipidmembranen aus POPC und POPS untersucht. Für beide Proteine konnte mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie gezeigt werden, dass irreversible Bindung nur in Anwesenheit von POPS auftritt. Durch rasterkraftmikroskopische Aufnahmen konnte die laterale Organisation der Annexine auf der Lipidmembran dargestellt werden. Beide Proteine lagern sich in Form lateraler Aggregate (zweidimensionale Domänen) auf der Oberfläche an, außerdem ist der Belegungsgrad und die Größe der Domänen von der Membranzusammensetzung und der Calciumkonzentration abhängig. Mit zunehmendem POPS-Gehalt und Calciumkonzentration steigt der Belegungsgrad an und der mittlere Domänenradius wird kleiner. Diese Ergebnisse konnten in Verbindung mit detaillierten Bindungsstudien des Annexins A1 mit der Quarzmikrowaage verwendet werden, um ein Bindungsmodell auf Basis einer heterogenen Oberfläche zu entwickeln. Auf einer POPC-reichen Matrix findet reversible Adsorption statt und auf POPS-reichen Domänen irreversible Adsorption. Durch die Anpassung von dynamischen Monte Carlo-Simulationen basierend auf einer zweidimensionalen zufälligen sequentiellen Adsorption konnten Erkenntnisse über die Membranstruktur und die kinetischen Ratenkonstanten in Abhängigkeit von der Calciumkonzentration und der Inkubationszeit des Proteins gewonnen werden. Die irreversible Bindung ist in allen Calciumkonzentrationsbereichen schneller als die reversible. Außerdem zeigt die irreversible Adsorption eine deutlich stärkere Abhängigkeit von der Calciumkonzentration. Ein kleinerer Belegungsgrad bei niedrigen Ca2+-Gehalten ist hauptsächlich durch die Abnahme der verfügbaren Bindungsplätze auf der Oberfläche zu erklären. Die gute Übereinstimmung der aus den Monte Carlo-Simulationen erhaltenen Domänenstrukturen mit den rasterkraftmikroskopischen Aufnahmen und die Tatsache, dass sich die simulierten Resonanzfrequenzverläufe problemlos an die experimentellen Kurven aus den QCM-Messungen anpassen ließen, zeigt die gute Anwendbarkeit des entwickelten Simulationsprogramms auf die Adsorption von Annexin A1. Die Extraktion der kinetischen Parameter aus dem zweidimensionalen RSA-Modell ist mit Sicherheit einem einfachen Langmuir-Ansatz überlegen. Bei einem Langmuir-Modell erfolgt eine integrale Erfassung einer einzelnen makroskopischen Geschwindigkeitskonstante, während durch das RSA-Modell eine differenzierte Betrachtung des reversiblen und irreversiblen Bindungsprozesses möglich ist. Zusätzlich lassen sich mikroskopische Informationen über die Oberflächenbeschaffenheit gewinnen. Im zweiten Teil der Arbeit wurde das thermotrope Phasenverhalten von festkörperunterstützten Phospholipidbilayern untersucht. Dazu wurden mikrostrukturierte, frei stehende Membranstreifen präpariert und mit Hilfe der bildgebenden Ellipsometrie untersucht. Dadurch konnten die temperaturabhängigen Verläufe der Schichtdicke und der lateralen Membranausdehnung parallel beobachtet werden. Die ermittelten Phasenübergangstemperaturen von DMPC, diC15PC und DPPC lagen 2 - 3 °C oberhalb der Literaturwerte für vesikuläre Systeme. Außerdem wurde eine deutliche Verringerung der Kooperativität der Phasenumwandlung gefunden, was auf einen großen Einfluss des Substrats bei den festkörperunterstützten Lipidmembranen schließen lässt. Zusätzlich wurde ein nicht systematischer Zusammenhang der Ergebnisse von der Oberflächenpräparation gefunden, der es unabdingbar macht, bei Untersuchungen von festkörperunterstützten Substraten einen internen Standard einzuführen. Bei der Analyse des thermotropen Phasenübergangsverhaltens von DMPC/Cholesterol - Gemischen wurde daher die individuelle Adressierbarkeit der strukturierten Lipidmembranen ausgenutzt und ein Lipidstreifen aus reinem DMPC als Standard verwendet. Auf diese Weise konnte gezeigt werden, dass das für Phospholipide typische Phasenübergangsverhalten ab 30 mol% Cholesterol in der Membran nicht mehr vorhanden ist. Dies ist auf die Bildung einer nur durch höhere Sterole induzierten fluiden Phase mit hoch geordneten Acylketten zurückzuführen. Abschließend konnte durch die Zugabe von Ethanol zu einer mikrostrukturierten DMPC-Membran die Bildung eines interdigitierten Bilayers nachgewiesen werden. Die bildgebende Ellipsometrie ist eine sehr gute Methode zur Untersuchung festkörperunterstützter Lipidmembranen, da sie über ein sehr gutes vertikales und ein ausreichendes laterales Auflösungsvermögen besitzt. Sie ist darin zwar einem Rasterkraftmikroskop noch unterlegen, besitzt dafür aber eine einfachere Handhabung beim Umgang mit Flüssigkeiten und in der Temperierung, eine schnellere Bildgebung und ist als optische Methode nicht-invasiv.

MikroSISAK für die Chemie der schwersten Elemente

ZusammenfassungrnDie vorliegende Arbeit beschreibt Experimente mit einer Apparatur namens Mikro-rnSISAK, die in der Lage ist, eine Flüssig-Flüssig-Extraktion im Mikroliter-Maßstab durchzuführen. Dabei werden zwei nicht mischbare Flüssigkeiten in einer Mikrostruktur emulgiert und anschließend über eine Teflonmembran wieder entmischt.rnIn ersten Experimenten wurden verschiedene Extraktionssysteme für Elemente derrnGruppen 4 und 7 des Periodensystems der Elemente untersucht und die Ergebnisse mit denen aus Schüttelversuchen verglichen. Da die zunächst erreichten Extraktionsausbeuten nicht ausreichend waren, wurden verschiedene Maßnahmen zu deren Verbesserung herangezogen.rnZunächst hat man mit Hilfe eines an die MikroSISAK-Apparatur angelegten Heizelements die dort für die Extraktion herrschende Temperatur erhöht. Dies führte wie erhofft zu einer höheren Extraktionsausbeute.rnDes Weiteren wurde MikroSISAK vom Institut für Mikrotechnik Mainz, welches derrnEntwickler und Konstrukteur der Apparatur ist, durch eine Erweiterung modifiziert, um den Kontakt der beiden Phasen zwischen Mischer und Separationseinheit zu verlängern. Auch dies verbesserte der Extraktionsausbeute.rnNun erschienen die erzielten Ergebnisse als ausreichend, um die Apparatur für online-Experimente an den TRIGA-Reaktor Mainz zu koppeln. Hierfür wurden durch Kernreaktion erzeugte Spaltprodukte des Technetiums MikroSISAK zugeführt, um sie dort abzutrennen und anschließend über ihren Zerfall an einem Detektor nachzuweisen. Neben erfolgreichen Ergebnissen lieferten diese Experimente auch die Belege für die Funktionsfähigkeit eines neuen Entgasers und für die Möglichkeit sowohl diesen als auch ein adäquates Detektorsystem an die MikroSISAK-Apparatur anzuschließen.rnDies schafft die Voraussetzung für die eigentliche Anwendungsidee, die hinter der Entwicklung von MikroSISAK steckt: Die Untersuchung der chemischen Eigenschaften von kurzlebigen superschweren Elementen (SHE) an einem Schwerionenbeschleuniger. Es liegt nahe, solche Experimente für das schwere Homologe des Technetiums, Element 107, Bohrium, ins Auge zu fassen.

Kontinuierliche Kreuzkupplungsreaktionen in mikrostrukturierten Systemen

Im Rahmen dieser Arbeit wurden unterschiedliche Palladium-katalysierte Kreuzkupplungsreaktionen untersucht. Ein besonderes Augenmerk wurde dabei auf die Suzuki-Miyaura-Reaktion gelegt. Unter anderem aufgrund der langen Reaktionszeiten und der zweiphasigen Bedingungen ist diese Reaktionsklasse nur sehr schwer als kontinuierlicher Prozess zu etablieren. Vielen dieser Ansätze ist jedoch zu eigen, dass der große Vorteil der Mikroprozesstechnik, eine überlegene Kontrolle von Temperatur und Stofftransport, kaum ausgeschöpft wird. An diesem Punkt setzt diese Arbeit von technischer aus Seite an. Der zweite Schwerpunkt der Arbeit sind die prinzipiellen Untersuchungen an kontinuierlichen Flüssig-Flüssig-Zwei-Phasen-Reaktionen. Im Zuge des DBU-finanzierten Transkat-Projektes wurden hierbei anhand einfacher Veresterungsreaktionen grundlegende Kenntnisse zu Stofftransport, Grenzflächen und Phasentrennung innerhalb mikrostrukturierter Systeme gesammelt. Dank speziell angefertigter Glasmikroreaktoren von der Firma mikroglas chemtech GmbH war eine genaue optische und digitale Charakterisierung der Phasengrenzflächen möglich. Ein wichtiges Ergebnis war darüber hinaus, dass ionische Flüssigkeiten, als eigenständige Phasen verwendet, enorm zum Massentransfer und somit zur Reaktionsgeschwindigkeit beitragen können.

Laserablation von oxidischen Multilagenstrukturen zur Untersuchung von heteroepitaktischen Grenzflächenzuständen

Die Deposition von dünnen, metallischen Schichten auf Silizium-Substraten stellt bereits seit Jahrzehnten die wichtigste Möglichkeit dar, um die wachsenden Anforderungen der Speichertechnologien zu erfüllen. Obwohl Multilagenstrukturen aus oxidischen Schichten eine nahezu unerschöpfliche Vielfalt an neuen Effekten bieten, kommen diese aktuell nur in Nischenanwendungen zum Einsatz. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf dem Verständnis von Phänomenen, die nur an Grenzflächensystemen zu beobachten sind. Die Basis der Untersuchungen stellten die Präparation der Multilagenstrukturen durch Laserablation dar. Eine Untersuchung der strukturellen Eigenschaften von multiferroischen BiFeO3 (BFO)-Schichten erlaubte eine Analyse der Wachstumsmodi und der Symmetrie der Einheitszelle von BFO unter heteroepitaktischer Verspannung. Durch Piezokraftmikroskopie konnte die ferroelektrische Domänenstruktur dünner BFO-Schichten analysiert werden. Die Abbildung der magnetischen Domänenstruktur der ferromagnetischen La0,67Sr0,33MnO3 (LSMO)-Schicht und der antiferromagnetischen BFO-Schicht einer Bilagenstruktur durch Photoemissionselektronenmikroskopie erlaubte eine Analyse der Austauschkopplung an der Grenzfläche. Durch elektronische Rekonstruktion entsteht an der LaAlO3 (LAO) /SrTiO3 (STO)-Grenzfläche ein leitfähiger, quasi-zweidimensionaler Zustand. Dessen Transporteigenschaften wurden mit einem Schwerpunkt auf deren Beeinflussung durch ein elektrisches Feld charakterisiert. Diese Ergebnisse führten zur Implementierung einer ferroelektrischen BFO-Schicht zur Manipulation der Leitfähigkeit an der LAO/STO-Grenzfläche. Die Kontrolle des Widerstandes eines mikrostrukturierten Bereichs durch die Polarisation der BFO-Schicht erlaubt die Nutzung der Struktur als Speichertechnologie.

Investigation on colloidal Te doped CdSe (CdSe:Te) quantum dots suspension in a liquid-core fiber

Here, we demonstrate the use of a colloidal CdSe:Te quantum dots suspension as active liquid-core in a specially designed optical element, based on a double-clad optical fiber structure. The liquid-core fiber was realized by filling the hollow core of a capillary and waveguiding of the core was ensured by using a liquid host that exhibits a larger refractive index than the cladding material of the capillary. Since the used capillary possessed a cladding waveguide structure, we obtained a liquid-core double-clad structure. To seal the liquid-core fiber and e.g. prevent the formation of bubbles, we developed a technique based on SMA connectors. The colloidal CdSe:Te quantum dots were excited by cladding-pumping using a pump laser at 532nm operating in the continuous-wave regime. We investigated the photoluminescence emitted from the colloidal CdSe:Te quantum dots suspension liquid-core and guided by the double-clad fiber structure. We observed a red shift of the (core) emission, that depends on the liquid-core fiber length and the pump power. This shift is due to the absorption of unexcited colloidal quantum dots and due to the waveguiding properties of the core. Here we report a core photoluminescence output power of 79.2μW (with an integrated brightness of ≈ 215.5 W/cm2sr ). Finally, we give an explanation, why lasing could not be observed in our experiments when setup as a liquid-core fiber cavity.

Electrodes for Long-Term Esophageal Electrocardiography

The emerging application of long-term and high-quality ECG recording requires alternative electrodes to improve the signal quality and recording capability of surface skin electrodes. The esophageal ECG has the potential to overcome these limitations but necessitates novel recorder and lead designs. The electrode material is of particular interest, since the material has to ensure conflicting requirements like excellent biopotential recording properties and inertness. To this end, novel electrode materials like PEDOT and silver-PDMS as well as established electrode materials such as stainless steel, platinum, gold, iridium oxide, titanium nitride, and glassy carbon were investigated by long-term electrochemical impedance spectroscopy and model-based signal analysis using the derived in vitro interfacial properties in conjunction with a dedicated ECG amplifier. The results of this novel approach show that titanium nitride and iridium oxide featuring microstructured surfaces did not degrade when exposed to artificial acidic saliva. These materials provide low electrode potential drifts and insignificant signal distortion superior to surface skin electrodes making them compatible with accepted standards for ambulatory ECG. They are superior to the noble and polarizable metals such as platinum, silver, and gold that induced more signal distortions and are superior to esophageal stainless steel electrodes that corrode in artificial saliva. The study provides rigorous criteria for the selection of electrode materials for prolonged ECG recording by combining long-term in vitro electrode material properties with ECG signal quality assessment.

Radiographic bone level changes of implant-supported restorations in edentulous and partially dentate patients: 5-year results.

PURPOSE To evaluate and compare crestal bone level changes and peri-implant status of implant-supported reconstructions in edentulous and partially dentate patients after a minimum of 5 years of loading. MATERIALS AND METHODS All patients who received a self-tapping implant with a microstructured surface during the years 2003 and 2004 at the Department of Prosthodontics, University of Bern, were included in this study. The implant restorations comprised fixed and removable prostheses for partially and completely edentulous patients. Radiographs were taken immediately after surgery, at impression making, and 1 and 5 years after loading. Crestal bone level (BIC) was measured from the implant shoulder to the first bone contact, and changes were calculated over time (ΔBIC). The associations between pocket depth, bleeding on probing (BOP), and ΔBIC were assessed. RESULTS Sixty-one implants were placed in 20 patients (mean age, 62 ± 7 years). At the 5-year follow-up, 19 patients with 58 implants were available. Implant survival was 98.4% (one early failure; one patient died). The average ΔBIC between surgery and 5-year follow-up was 1.5 ± 0.9 mm and 1.1 ± 0.6 mm for edentulous and partially dentate patients, respectively. Most bone resorption (50%, 0.7 mm) occurred during the first 3 months (osseointegration) and within the first year of loading (21%, 0.3 mm). Mean annual bone loss during the 5 years of loading was < 0.12 mm. Mean pocket depth was 2.6 ± 0.7 mm. Seventeen percent of the implant sites displayed BOP; the frequency was significantly higher in women. None of the variables were significantly associated with crestal bone loss. CONCLUSION Crestal bone loss after 5 years was within the normal range, without a significant difference between edentulous and partially dentate patients. In the short term, this implant system can be used successfully for various prosthetic indications.

Cytotoxicity evaluation of polymer-derived ceramics for pacemaker electrode applications.

Ceramics are known to be chemically stable, and the possibility to electrically dope polymer-derived ceramics makes it a material of interest for implantable electrode applications. We investigated cytotoxic characteristics of four polymer-derived ceramic candidates with either electrically conductive or insulating properties. Cytotoxicity was assessed by culturing C2C12 myoblast cells under two conditions: by exposing them to material extracts and by putting them directly in contact with material samples. Cell spreading was optically evaluated by comparing microscope observations immediately after the materials insertion and after 24 h culturing. Cell viability (MTT) and mortality (LDH) were quantified after 24-h incubation in contact with the materials. Comparison was made with biocompatible positive references (alumina, platinum, biocompatible stainless steel 1.4435), negative references (latex, stainless steel 1.4301) and controls (no material present in the culture wells). We found that the cytotoxic properties of tested ceramics are comparable to established reference materials. These ceramics, which are reported to be very stable, can be microstructured and electrically doped to a wide range of conductivity and are thus excellent candidates for implantable electrode applications including pacemakers.

SERS Active Surface in Two Steps, Patterning and Metallization

Robust and reproducible metallized nano/microstructured surfaces of polymeric surfaces have been successfully prepared by direct laser interference patterning (DLIP) of commercial polymeric films followed by sputtering of metallic thin films. The SERS spectra for 2-thioaniline adsorbed on a structured polycarbonate surfaces covered with a gold or platinum film showed a ca. three order of magnitude enhancement over a flat surface with the same metal film. The method here reported is suitable for mass production of substrates for SERS since large areas (several cm2) can be structured in ca. 1–5 s.

Fibre gratings in novel optical fibres for applications in sensing

This thesis presents the fabrication of fibre gratings in novel optical fibres for sensing applications. Long period gratings have been inscribed into photonic crystal fibre using the electric-arc technique. The resulting sensing characteristics were found to depend on the air-hole geometry of the particular fibre. This provides the potential of designing a fibre to have enhanced sensitivity to a particular measure and whilst removing unwanted cross sensitivities. Fibre Bragg gratings have been fabricated in a variety of polymer optical fibres, including microstructured polymer optical fibre, using a continuous wave helium cadmium laser. The thermal response of the gratings have been characterised and found to have enhanced sensitivity compared to fibre Bragg gratings in silica optical fibre. The increased sensitivity has been harnessed to achieve a grating based device in single mode step index polymer optical fibre by fabricating an electrically tunable fibre Bragg grating. This was accomplished by coating the grating region in a thin layer of copper, which upon application of a direct current, causes a temperature induced Bragg wavelength shift.

Fibre Bragg gratings in polymer optical fibre for applications in sensing

This thesis presents the potential sensing applications of fibre Bragg gratings in polymer optical fibres. Fibre Bragg gratings are fabricated in different kinds of polymer optical fibres, including Poly methyl methacrylate (PMMA) and TOPAS cyclic olefin copolymer based microstructured polymer optical fibres and PMMA based step-index photosensitive polymer optical fibre, using the 325nm continuous wave ultraviolet laser and phase mask technique. The thermal response of fabricated microstructured polymer optical fibre Bragg gratings has been characterized. The PMMA based single mode microstructured polymer optical fibre Bragg gratings exhibit negative non-linear Bragg wavelength shift with temperature, including a quasi-linear region. The thermal sensitivity of such Bragg gratings in the linear region is up to -97pm/°C. A permanent shift in the grating wavelength at room temperature is observed when such gratings are heated above a threshold temperature which can be extended by annealing the fibre before grating inscription. The largest positive Bragg wavelength shift with temperature in transmission is observed in TOPAS based few moded microstructured polymer optical fibre Bragg gratings and the measured temperature sensitivity is 250±0.5pm/°C. Gluing method is developed to maintain stable optical coupling between PMMA based single mode step index polymer optical fibre Bragg gratings and single mode step index silica optical fibre. Being benefit from this success, polymer optical fibre Bragg gratings are able to be characterised for their temperature, humidity and strain sensitivity, which are -48.2±1pm/°C, 38.3±0.5pm per %RH and 1.33±0.04 pm/µ??respectively. These sensitivities have been utilised to achieve several applications. The strain sensitivity of step index polymer optical fibre Bragg grating devices has been exploited in the potential application of the strain condition monitoring of heavy textiles and when being attached to textile specimens with certain type of adhesives. These polymer fibre Bragg grating devices show better strain transfer and lower structure reinforcement than silica optical fibre Bragg grating devices. The humidity sensitivity of step index polymer optical fibre Bragg grating devices is applied to detecting water in jet fuel and is proved to be able to measure water content of less than 20 ppm in Jet fuel. A simultaneous temperature and humidity sensor is also made by attaching a polymer fibre Bragg grating to a silica optical fibre Bragg grating and it shows better humidity measurement accuracy than that of electronic competitors.