Development and application of photonic technologies for industry 4.0

Abstract

En aquesta tesi, s'han desenvolupat tecnologies fotòniques com ara làsers, sensors i detectors per tal de donar solucions a la indústria 4.0. S'ha prestat especial atenció a les guies d'ona inscrites en cristalls gràcies a la tècnica d'escriptura làser directa de femtosegundo, amb la qual s'han desenvolupat làsers de microxip en el rang de ~ 2 m, ideals per al seu ús en medicina. Les guies làser tenen geometries diferents, impossibles d'aconseguir per altres mètodes, per tal d'optimitzar paràmetres com l'eficiència, el llindar del làser o la potència màxima de bomba. D'altra banda, s'han creat sensors fotònics utilitzant guies d'ones amb diferents geometries i característiques. Aquests són capaços de confinar la llum a l'interior i fer-la interaccionar amb diferents líquids, podent detectar canvis en el seu índex de refracció i determinar així la presència d'impureses. S'han estudiat els processos d'evanescència i interferometria de Fabry-Perot. Finalment, s'han desenvolupat sensors fotònics, adaptats a les necessitats de cada cadena de producció. Amb ells s'ha pogut crear sistemes de control que ofereixen un servei eficient, innovador i econòmicament competitiu. La tecnologia de sensors desenvolupada es va aplicar per a conceptes innovadors per a la indústria 4.0. Aquest treball posa l'accent en la necessitat de la indústria de monitorització real i en línia/en línia, sistemes d'aprenentatge automàtic per a una millor fabricació ecològica.

En esta tesis se han desarrollado tecnologías fotónicas como láseres, sensores y detectores con el fin de dar soluciones a la Industria 4.0.Se ha prestado especial atención a las guías de ondas inscritas en cristales gracias a la técnica de escritura láser directa de femtosegundos, con la que se han desarrollado láseres de microchip en el rango de ~ 2 m, ideales para su uso en medicina. Las guías láser tienen diferentes geometrías, imposibles de conseguir con otros métodos, para optimizar parámetros como la eficiencia, el umbral del láser o la potencia máxima de la bomba.Por otro lado, los sensores fotónicos se han creado utilizando guías de ondas con diferentes geometrías y características. Estos son capaces de confinar la luz en su interior y hacerla interactuar con diferentes líquidos, pudiendo detectar cambios en su índice de refracción y así determinar la presencia de impurezas. Se han estudiado los procesos de interferometría y evanescencia de Fabry-Perot.Finalmente, se han desarrollado sensores fotónicos, adaptados a las necesidades de cada cadena de producción. Con ellos ha sido posible crear sistemas de control que ofrecen un servicio eficiente, innovador y económicamente competitivo. La tecnología de sensores desarrollada se aplicó para conceptos innovadores para la industria 4.0. Este trabajo enfatiza la necesidad de la industria de monitoreo real y en línea / en línea, sistemas de aprendizaje automático para una mejor fabricación ecológica

In this thesis, photonic technologies such as lasers, sensors and detectors has been developed in order to provide solutions to Industry 4.0. Special attention has been paid to waveguides inscribed in crystals thanks to the femtosecond-direct laser writing technique, with which microchip lasers in the range of ~ 2 m have been developed, ideal for use in medicine. The lasered guides have different geometries, impossible to achieve by other methods, in order to optimize parameters such as the efficiency, the laser threshold or the maximum pump power. On the other hand, photonic sensors have been created by using waveguides with different geometries and characteristics. These are capable of confining light inside and making it interact with different liquids, being able to detect changes in its refractive index and thereby determine the presence of impurities. Fabry-Perot evanescence and interferometry processes have been studied. Finally, photonic sensors have been developed, adapted to the needs of each production chain. With them it has been possible to create control systems that offer an efficient, innovative and economically competitive service. The developed sensors technology was applied for innovative concepts for industry 4.0. This work emphasizes the needed of the industry for real and inline/online monitoring, machine learning systems for a better green manufacturing.