Mid-infrared integrated photonic sensors of water and ice films for harsh environments

Abstract

Quan una aeronau travessa núvols situats a mitja altitud que estan principalment compostos d'incomptables gotes d'aigua en subfusió, corre el risc d’engelament en les seves parts més exposades. Fins i tot una capa submilimètrica de gel formada sobre elements com ales, motors o tubs de pitot pot reduir dràsticament la seva sustentació i rendiment i, per tant, afectar a la seva eficiència i maniobrabilitat fins al punt de causar una pèrdua de control i posterior accident. Les tecnologies anti-gel instal·lades en aeronaus modernes busquen reduir aquest problema mitjançant sistemes que no solament fonguin el gel acumulat si no que ho detectin abans que resulti perillós. En aquesta Tesi es presenta un nou i ultrasensible, però a la vegada robust, sensor de gel basat en fotònica integrada d’IR-mitjà que pot ser muntat en qualsevol superfície sense pèrdua aerodinàmica. A partir de la detecció de canvis en les característiques de l'aigua a l’IR-mitjà que estan associats intrínsecament a variacions en la seva estructura molecular per a les seves diferents fases, es demostra la detecció de gel amb alta sensibilitat i rapidesa per aconseguir una alerta prematura d’engelament en vol. Al llarg d'aquesta Tesi, es tracta, des de les perspectives fonamental i aplicada, el desenvolupament complet del sensor abastant des de la concepció teòrica fins a la demonstració experimental del seu rendiment i fiabilitat en un túnel de vent. Finalment, es presenta un segon sensor amb millor sensibilitat a costa d'una menor robustesa per a la detecció de petits volums de contaminants químics en aigua. El sensor aprofita l'excitació d'un plasmó superficial a l’IR-mitjà que intensifica la interacció entre llum i anàlit al voltant de ressonàncies moleculars. Això emfatitza encara més els enormes beneficis que operar a l’IR-mitjà pot aportar a futurs sensors fotònics integrats.

Al atravesar una aeronave nubes situadas a media altitud que están principalmente compuestas de incontables gotas de agua en subfusión, corre el riesgo de engelamiento en sus partes más expuestas. Incluso una capa submilimétrica de hielo formada sobre elementos como alas, motores o tubos de pitot puede reducir drásticamente su sustentación y rendimiento y, por tanto, afectar a su eficiencia y maniobrabilidad hasta el punto de causar una pérdida de control y posterior accidente. Las tecnologías anti-hielo instaladas en aeronaves modernas buscan reducir este problema mediante sistemas que no solo derritan el hielo acumulado si no que lo detecten antes de que resulte peligroso. En esta Tesis se presenta un nuevo y ultrasensible, pero a su vez robusto, sensor de hielo basado en fotónica integrada de IR-medio que puede ser montado en cualquier superficie sin apenas pérdida aerodinámica. A partir de la detección de cambios en los rasgos característicos del agua en el IR-medio que están asociados intrínsecamente a variaciones en su estructura molecular para sus diferentes fases, se demuestra la detección de hielo con alta sensibilidad y rapidez para conseguir una alerta temprana de engelamiento en vuelo. A lo largo de esta Tesis, se trata, desde las perspectivas fundamental y aplicada, el desarrollo completo del sensor abarcando desde la concepción teórica hasta la demonstración experimental de su rendimiento y fiabilidad en un túnel de viento. Por último, se presenta un segundo sensor con mejor sensibilidad a costa de una robustez reducida para la detección de pequeños volúmenes de contaminantes químicos en agua. El sensor aprovecha la excitación de un plasmón superficial en el IR-medio que intensifica la interacción entre luz y analito alrededor de resonancias moleculares. Esto enfatiza más si cabe los enormes beneficios que operar el IR-medio puede aportar a futuros sensores fotónicos integrados.

Al atravesar una aeronave nubes situadas a media altitud que están principalmente compuestas de incontables gotas de agua en subfusión, corre el riesgo de engelamiento en sus partes más expuestas. Incluso una capa submilimétrica de hielo formada sobre elementos como alas, motores o tubos de pitot puede reducir drásticamente su sustentación y rendimiento y, por tanto, afectar a su eficiencia y maniobrabilidad hasta el punto de causar una pérdida de control y posterior accidente. Las tecnologías anti-hielo instaladas en aeronaves modernas buscan reducir este problema mediante sistemas que no solo derritan el hielo acumulado si no que lo detecten antes de que resulte peligroso. En esta Tesis se presenta un nuevo y ultrasensible, pero a su vez robusto, sensor de hielo basado en fotónica integrada de IR-medio que puede ser montado en cualquier superficie sin apenas pérdida aerodinámica. A partir de la detección de cambios en los rasgos característicos del agua en el IR-medio que están asociados intrínsecamente a variaciones en su estructura molecular para sus diferentes fases, se demuestra la detección de hielo con alta sensibilidad y rapidez para conseguir una alerta temprana de engelamiento en vuelo. A lo largo de esta Tesis, se trata, desde las perspectivas fundamental y aplicada, el desarrollo completo del sensor abarcando desde la concepción teórica hasta la demonstración experimental de su rendimiento y fiabilidad en un túnel de viento. Por último, se presenta un segundo sensor con mejor sensibilidad a costa de una robustez reducida para la detección de pequeños volúmenes de contaminantes químicos en agua. El sensor aprovecha la excitación de un plasmón superficial en el IR-medio que intensifica la interacción entre luz y analito alrededor de resonancias moleculares. Esto enfatiza más si cabe los enormes beneficios que operar el IR-medio puede aportar a futuros sensores fotónicos integrados.