Işığın camın biraz dışına kadar gittiğini duydum, bu doğru mu? Sıvıları ölçmek için kullanılabilir mi?
Bu çok klasik ve ilginç bir fiziksel olgudur. “Işığın camın biraz dışına taşması” gerçektir ve optik mühendisliğinde “Evansesan Alan” (Evanescent Field, sönümlenen dalga veya kaybolan dalga olarak da çevrilir) olarak bilinir. Bu sadece gerçek bir fiziksel varlık olmakla kalmaz, aynı zamanda modern optik sıvı sensörlerinde yaygın olarak kullanılır.
Fiziksel prensipler, sıvı ölçüm mekanizmaları ve pratik mühendislik uygulamaları açısından size titiz bir akademik açıklama sunacağım:
I. “Evansesan Alan” Nedir? (Fiziksel Özü)
Işık, daha yüksek kırılma indisli bir ortam n_1 (örneğin, fiber optik çekirdek camı) ile daha düşük kırılma indisli bir ortam n_2 (örneğin, fiber optik kaplama, hava veya sıvı) arasındaki arayüzde Tam İç Yansımaya (Total Internal Reflection, TIR) uğradığında, ışık enerjisi arayüzde aniden %100 kesintiye uğrayıp geri yansımaz.
Dalga optiğinde, ışık bir elektromanyetik dalga olarak, Maxwell denklemlerinin sınır koşullarını sağlamak için, ikinci ortama nüfuz eden bir elektromanyetik alanın bir kısmının olması gerekir. Bu elektromanyetik alan arayüz boyunca yayılır, ancak arayüze dik yönde (dış camın dışına doğru) üstel olarak hızla zayıflar. Dışarıya enerji yaymayan ve yalnızca arayüzün çok yakın mesafesinde bulunan bu elektromanyetik alan Evansesan Alan’dır.
Elektromanyetik alan şiddeti, nüfuz mesafesi z arttıkça zayıflar. Evansesan Alanın Nüfuz Derinliği (Penetration Depth) d_p (genliğin arayüzdeki 1/e’ye zayıfladığı derinlik) aşağıdaki formülle hesaplanabilir:
d_p = \frac{\lambda}{2\pi \sqrt{n_1^2 \sin^2\theta - n_2^2}}
Burada: \lambda gelen ışığın dalga boyu, \theta geliş açısı ve n_1 ile n_2 sırasıyla yüksek ve düşük kırılma indisli ortamların kırılma indisleridir.
Normal şartlarda, bu nüfuz derinliği d_p nanometre ila mikrometre (genellikle birkaç yüz nanometre ila 1 mikrometre civarında) arasındadır. Yani, ışık cam yüzeyinden yaklaşık bir dalga boyu kadar bir mesafeye “taşıp” sonra hızla kaybolur.
II. Sıvıları ölçmek için kullanılabilir mi?
Kesinlikle evet. Evansesan alan, yüksek hassasiyetli optik sıvı sensörlerinin (kırılma indisi sensörleri, biyosensörler, kimyasal emilim sensörleri) oluşturulması için fiziksel temeldir.
Camın (fiber optik) dışı farklı sıvılarla temas ettiğinde:
- Kırılma İndisi (RI) Algılama : Dış sıvının kırılma indisi n_2’deki değişiklik, evansesan alanın sınır koşullarını değiştirerek evansesan alanın nüfuz derinliğini d_p ve fazını değiştirir. Bu, fiber optik içindeki iletilen ışığın yayılma sabitini (Etkin Kırılma İndisi) doğrudan değiştirir. Girişim spektrumunun kaymasını veya fiber Bragg Grating (FBG) yansıyan dalga boyunun kaymasını ölçerek, sıvının kırılma indisini veya konsantrasyonunu hassas bir şekilde algılamak mümkündür.
- Absorpsiyon Spektrumu Ölçümü (ATR) : Sıvı belirli bir dalga boyunda absorpsiyon zirvesine sahipse, evansesan alan sıvıdan geçerken enerji emilimi meydana gelir ve bu da fiber optik içindeki yansıyan ışığın yoğunluğunda bir zayıflamaya neden olur. Buna dayanarak sıvının bileşim analizi yapılabilir.
III. Neden standart cam veya fiber optik doğrudan ölçüm yapamaz?
Evansesan alan mevcut olsa da, günlük olarak kullandığımız standart tek modlu fiber optikler veya standart fiber Bragg gratings (FBG’ler) sıvılarla doğrudan temas edip ölçüm yapamaz.
Bunun nedenleri şunlardır:
- Standart tek modlu fiber optiklerin çekirdeği (yüksek kırılma indisi n_1) yaklaşık 9\ \mu\text{m} çapa sahiptir.
- Çekirdeğin dışında, yaklaşık 125\ \mu\text{m} kalınlığında saf silika kaplaması (düşük kırılma indisi n_2) bulunur.
- Evansesan alan, çekirdek ve kaplama arasındaki arayüzde oluşur ve nüfuz derinliği sadece birkaç yüz nanometredir, bu da evansesan alanın 125\ \mu\text{m} kalınlığındaki kaplama içinde sıkıca kilitlendiği ve fiber optiğin dışındaki sıvıya hiç ulaşamadığı anlamına gelir.
Çözüm Nasıl Sağlanır? (Mühendislikte Kaplama Kaldırma Teknolojisi)
Evansesan alanın dışarı sızıp sıvı ile temas etmesini sağlamak için fiber optiğin özel fiziksel veya kimyasal işlemden geçmesi gerekir:
- Kimyasal Aşındırma (Chemical Etching) : Hidroflorik asit (HF) kullanarak fiber optik silika kaplamasını aşındırıp incelterek, kalan kaplama kalınlığını 10\ \mu\text{m} 'nin altına indirmek veya hatta çekirdeği tamamen açığa çıkarmak.
- Yan Parlatma (Side-polishing / D-shaped) : Fiber optiğin bir tarafını hassas bir şekilde parlatarak bir kısmını kaldırmak ve çekirdeği parlatma düzlemine aşırı derecede yaklaştırmak.
- Konikleştirme (Tapering) : Fiber optiği ısıtılmış halde mikron veya hatta nanometre düzeyine (mikro/nano fiber) kadar incelterek, ışık alanının büyük bir kısmının evansesan dalga olarak fiberin dışına maruz kalmasını sağlamak.
IV. İlgili Fiber Bragg Grating (FBG) Ürünleri
Da Cheng Yong Sheng (OFSCN®) teknoloji serisinde, standart çıplak fiber Bragg grating ürünleri şunlardır:
-
OFSCN® Poliakrilat Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) Standart G.652D veya G.657 tek modlu fiber optikleri kullanır.
-
OFSCN® Standard Femtosecond Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) Nokta nokta femtosaniye lazer ile yazılmış olup, yüksek sıcaklık ve gerinim mekanik performansı sunar.
Teknik Not:
Yukarıdaki standart çıplak fiber Bragg gratings (Bare FBG), varsayılan olarak standart kaplama çapına sahiptir. Eğer araştırma konunuz evansesan alan tabanlı sıvı kırılma indisi ölçümü ise, kaplanmamış Bare FBG’yi satın aldıktan sonra, laboratuvarda hidroklorik asit (HF) kullanarak grating bölgesini kimyasal aşındırma ile kaplamayı soymanız gerekir. Bu, harici sıvının doğrudan grating’in kaplaması olarak hizmet etmesini sağlar ve evansesan alanın değişimini kullanarak yüksek hassasiyetli kırılma indisi sensörlemesi gerçekleştirilir.
Ek olarak, olgun bir endüstriyel sıvı seviye algılama sensörüne ihtiyacınız varsa, Da Cheng Yong Sheng OFSCN® Fiber Bragg Grating Liquid Level Sensor sunmaktadır. Bu sıvı seviye sensörünün evansesan alan prensibine dayanmadığını, bunun yerine sıvı ve gaz arasındaki sıcaklık farkı ısı transferinin fiziksel özelliklerine dayanarak sıvı seviyesini belirlediğini belirtmek gerekir.
