Contribución al desarrollo de sensores de gases basados en resonancias ópticas

Abstract

Los sensores basados en resonancias ópticas han incrementado su popularidad estos últimos años. Cobran especial relevancia en aplicaciones como la detección de gases gracias a su alta sensibilidad y robustez en ambientes agresivos. Esta tesis ha contribuido a la mejora de sensores de gases basados en resonancias ópticas empleando dos enfoques; la búsqueda de materiales sensibles a gases y el desarrollo de nuevas técnicas de interrogación. Los materiales investigados están formados por una matriz polimérica con materiales nanoestructurados: nanopartículas de óxido tungsteno, nanodiamantes y nanosheets de óxido de grafeno. Las propiedades de estos materiales son testeadas ante diferentes gases e índices de refracción externo (surrouding refractive index SRI). En la búsqueda de sensores ultrasensibles al SRI, se desarrollan dos líneas de investigación. Una estudia el efecto LMR y su sensibilidad en la región de infrarrojo medio (MIR) empleando fibras ópticas fluoradas y TiO2 como material. La otra, se centra en resonancias acuñadas por primera como surface exciton polariton resonance (SEPR) basándose en el efecto long range surface exciton polariton (LRSEP). Para ello se desarrolla un sensor en configuración Kretschmann-Raether con dos películas de Cr y MgF2. También se estudia los papeles de los distintos parámetros del sensor, así como experimentalmente la sensibilidad al ángulo de incidencia y SRI.

Sensors based in optical resonances have increased their popularity in the last years. The ones used in gas measurement applications are especially relevant, due to their high sensitivity and robustness to harsh environments. This thesis has contributed to the improvement of gas sensors based in optical resonances employing two approaches: the search for gas-sensitive materials and the development of new interrogation techniques. The researched materials are composed by a polymeric matrix and nanostructured materials: tungsten oxide nanoparticles, nanodiamonds and graphene oxide nanosheets. The properties of these materials are studied with different gas concentrations and surrounding refractive indexes (SRI). Two research lines are developed to obtain ultrasensitive sensors to SRI. The first one studies the LMR effect and its sensitivity in the mid infrared (MIR) region, employing fluoride glass optical fibers and TiO2 as material. The second one focuses on the resonances coined for the first time as surface exciton polariton resonances (SEPR) that are based on the long range surface exciton polariton (LRSEP) effect. A sensor in a Krestchmann-Raether configuration is developed with two films of Cr and MgF2. The roles of the different parameters of the sensor are studied theoretically as well as the experimental sensitivity to the incident angle and SRI.