Refractive index sensing based on interferometric detection of near-infrared optical resonances of micro-capillaries

In this thesis, I have initially investigated a spectral interferometric technique for detecting the wavelength position of the resonances of low-cost optical resonators, consisting in rectangular glass micro-capillaries. A detailed theoretical model has been developed to calculate the spectral reflectivity of the micro-devices when they are placed at the end of the measuring arm of a Michelson scheme. Using the readout radiation provided by a broadband light source with a flat emission spectrum centered at 1.55 µm and a 2x1 fiberoptic coupler on the common input-output optical path, experimental results have been found in good agreement with the expected theoretical behavior. The optical resonances, corresponding to reflectivity minima, of these simple optical resonators are clearly detected by monitoring the positions of steep phase jumps on the interferometric signal recorded as a function of the wavelength. Then, I have applied this detection principle for refractive index (RI) monitoring of fluidic samples in the micro-capillaries. A detailed theoretical model has been developed to consider the effect of the filling fluids on the interferometric signal. From the phase-sensitive spectral reflectivity, we have recovered the cosine-shaped interferometric signal as a function of the wavelength, as well as its dependence on the sample RI. Experimental results are in good agreement with the expected theoretical behavior. The shift of the micro-capillary optical resonances, induced by RI variations in the filling fluids have been clearly detected by monitoring the positions of steep phase jumps in the cosine-shaped interferometric signal recorded as a function of the wavelength.

In questa tesi magistrale, ho studiato una tecnica interferometrica nel dominio delle lunghezze d’onda per la rivelazione della posizione spettrale delle risonanze di cavità risonanti disponibili commercialmente a basso costo: i micro-capillari di vetro a sezione rettangolare. Un modello teorico approfondito è stato sviluppato per calcolare la riflettività spettrale di questi micro-dispositivi, quando questi sono posti al termine del braccio di misurazione di un interferometro di Michelson. Grazie all’utilizzo di una sorgente ottica con banda di circa 40 nm ed emissione centrata attorno a 1.55 m e un accoppiatore 2x2 in fibra ottica sul cammino comune di ingresso e uscita, i risultati sperimentali si sono dimostrati in linea con i risultati previsti dall’analisi teorica. Le risonanze ottiche, che si hanno alle stesse lunghezze d’onda dove si osservano i minimi degli spettri di riflettività del capillare, possono essere studiate monitorando la posizione di ripidi salti di fase del segnale interferometrico, rilevato in funzione della lunghezza d’onda. Successivamente ho applicato la medesima tecnica per il monitoraggio di variazioni di indice di rifrazione di campioni fluidici, inseriti all’interno del micro-capillare. Un modello teorico dettagliato è stato sviluppato per simulare l’effetto della variazione dell’indice di rifrazione della sostanza inserita nel canale del capillare sul segnale interferometrico sempre nel dominio della lunghezza d’onda. Dal segnale interferometrico spettrale è stato ricavato il segnale interferometrico di tipo coseno, in funzione della lunghezza d’onda, evidenziando la dipendenza dei salti di fase dall’indice di rifrazione del liquido campione. I risultati sperimentali sono in linea con i risultati dell’analisi teorica. La traslazione in lunghezza d’onda delle risonanze ottiche del capillare, indotto dalla variazione di indice di rifrazione dei liquidi al suo interno, può essere seguita osservando i ripidi salti di fase nel segnale interferometrico di tipo coseno, analizzato nel dominio della lunghezza d’onda, o in maniera ancor più evidente osservando le posizioni dei picchi ottenuti derivando il segnale coseno rispetto alla lunghezza d’onda.