Aplicaciones de microesferas transparentes en sensores de temperatura y presión

Abstract

The results of this study are focused on analyzing the changes of certain phenomena that occur in a transparent microsphere of oxyfluoride glass doped with neodymium with the temperature and pressure to find out if it is possible to develop sensors of both magnitudes. In recent years, several studies have been carried out on different new materials to exploit their particular properties. Such is the case of materials doped with rare earths, whose optical and magnetic properties make them very useful in fields such as medicine or condensed matter physics. But for the case at hand, the interest of this study lies in the viability of transparent neodymium-ion-doped oxyfluoride glass microspheres for the creation of optical temperature and pressure sensors. For such purpose, two phenomena were studied: the displacement of the Whisppering Gallery Modes (WGM) peaks and the variation of the intensities of thermally coupled levels through the relationship between fluorescence intensities (FIR): -WGM is a phenomenon of resonance of electromagnetic radiation within a cavity by multiple internal reflections within the cavity, in this case, the microsphere. As this phenomenon depends on the geometry and the difference of refractive index between the material and the environment, a change in the refractive index and/or the size of the microsphere modifies the wavelengths of the WGM resonances, a fact that can be used to study how a change in the environment affects the material. -On the other hand, the FIR technique consists in calculate the temperature of a material by using the thermal coupling between two populations of two excited levels that can be very close energetically. This last case is interesting because the ratio for the intensity of both populations would depend exclusively on the temperature of the system that has those two levels through Boltzmann’s function. This technique only needs the emission of two energy levels, then it is independent of the geometry used to observe them. The uncertainty of these parameters and the relative sensitivity are used to evaluate the quality of the microspheres as temperature and pressure sensors.

Los resultados de este trabajo estan enfocados en analizar los cambios de unos ´ determinados fenomenos que suceden en una microesfera transparente de vidrio ´ oxifluorado dopado con neodimio con la temperatura y la presion para averiguar ´ si es posible el desarrollo de sensores de ambas magnitudes. En los ultimos a ´ nos se han estudiado las propiedades de nuevos materiales con ˜ el objetivo de determinar sus posibles aplicaciones. Es el caso de los materiales dopados con tierras raras, cuyas propiedades opticas y magn ´ eticas los hacen muy ´ atractivos para diversos campos desde la medicina hasta la f´ısica de la materia condensada. El interes de este trabajo es el estudio de la viabilidad de microesfe- ´ ras transparentes de vidrio oxifluoradas dopadas de iones de neodimio para su uso como sensores opticos de temperatura y presi ´ on. ´ Para llevar a cabo este trabajo, se estudiaron dos fenomenos: el desplazamiento ´ de los picos Whisppering Gallery Mode (WGM) y la variacion de las intensidades ´ de niveles termicamente acoplados mediante la relaci ´ on entre intensidades de ´ fluorescencia (FIR): -El WGM es un fenomeno de resonancia de la radiaci ´ on electromagn ´ etica den- ´ tro de una cavidad al producirse multiples reflexiones internas dentro la misma, ´ en este caso, la microesfera. Como este fenomeno depende de la geometr ´ ´ıa y de la diferencia de ´ındice de refraccion entre el material y el entorno, un cambio en ´ el ´ındice de refraccion y/o el tama ´ no de la microesfera modifica las longitudes ˜ de onda de las resonancias WGM, hecho que se puede aprovechar para estudiar como un cambio en el entorno afecta al material. -Por otro lado, la tecnica FIR consiste en hallar la temperatura de un material usan- ´ do el acoplamiento termico entre dos poblaciones de dos niveles excitados que ´ pueden estar energeticamente muy cercanos. Este ´ ultimo caso resulta interesante ´ porque la razon de la intensidad de ambas poblaciones depender ´ ´ıa exclusivamente de la temperatura del sistema que tenga esos dos niveles mediante la funcion de ´ Boltzmann. Esta tecnica solo necesita la emisi ´ on de dos niveles energ ´ eticos, luego ´ es independiente de la geometr´ıa que se use para observarlos. Se usaron la incertidumbre en las mismas y la sensibilidad relativa para evaluar la calidad de las microesferas como sensores de temperatura y presión.