Interféromètre Fabry-Perot basé sur des pointes polymères microstructurées en bout de fibre optique pour la détection chimique

Fabry-Perot interferometer based on end-of-fiber polymer microtip for chemical sensing

• Auteur / Autrice : Thi Nhung Pham
• Direction : Cédric Ayela
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 15/01/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Ivan Favero
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Dufour Dabadie, Karsten Haupt, Ngoc Diep Lai
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Soppera, Vincent Agache

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymères

Hygrométrie

Capteurs (technologie)

Fabry-Pérot, Interféromètres de

Mots clés libres

Interféromètre Fabry-Perot

Capteur fibré

Pointe polymère

Hygroscopie

Polymère à empreinte moléculaire

Fabry-Perot interferometer

Optial fiber sensor

Polymer tip

Water content

Molecularly imprinted polymer

Résumé

Les interféromètres Fabry-Perot (FPI) ont reçu un grand intérêt pour leur utilisation en tant que capteurs. Les FPI sont constitués d'une cavité optique avec des surfaces parallèles qui réfléchissent la lumière incidente, produisant un signal interférométrique optique. Ce signal dépend de la distance entre les surfaces réfléchissantes et de l'indice de réfraction de la cavité, qui sont sensibles aux variations d’humidité, de température, de pression et du matériau. Les FPI peuvent être attachés à des fibres optiques, qui fonctionnent comme un guide d'ondes pour le signal incident et le signal réfléchi, et former ainsi des capteurs compacts. Cette thèse présente des capteurs chimiques à base de FPI incorporant une micropointe en polymère structurée à l'extrémité d'une fibre optique, étudiés pour la détection d'humidité, d'eau et de cibles chimiques.Tout d'abord, nous développons une pointe de triacrylate de pentaérythritol (PETA) sur la facette d'une fibre optique par photopolymérisation autoguidée. Une extrémité de la fibre est placée dans une goutte de PETA et la photopolymérisation est activée par un laser de 375 nm injecté à l'autre extrémité de la fibre. Les conditions optimales pour former une pointe PETA mécaniquement stable sont 1μW de puissance laser × 1s de temps d'exposition. Cependant, les chaînes PETA ne sont pas complètement polymérisées lors de cette étape, ce qui entraîne une fréquence de résonance instable de la pointe. La pointe doit donc être post-polymérisée sous une lampe UV de 365nm pour obtenir une caractéristique dynamique stable, avant leur application en tant que capteur.Deuxièmement, nous démontrons que la pointe PETA est un capteur efficace pour détecter l'humidité. Elle fonctionne comme une cavité optique formée entre le cœur de la fibre/PETA et l'interface PETA/environnement, ce qui permet d'obtenir un signal interférométrique clair. Le signal FPI de la pointe est très sensible à l'humidité de l'air grâce aux groupes hydroxyles du PETA, qui absorbent les molécules d'eau dans l'air humide, induisant un gonflement de la pointe. La longueur et/ou l'indice de réfraction sont donc modifiés, ce qui entraîne une variation du signal interférométrique. La pointe présente une sensibilité constante de 90 pm/%RH, équivalent à une sensibilité relative de 104 ppm/%RH pour une plage d'humidité de 30 à 80 %. La détection est hautement reproductible et stable. En outre, l'effet de la température est négligeable, favorisant leur potentiel d’application.Ensuite, nous appliquons les pointes PETA basées sur le FPI pour déterminer la teneur en eau de solutions de glycérol et d'éthylène glycol. Le signal FPI de la pointe PETA varie de manière non linéaire lorsque la teneur en eau passe de 0 à 100% en poids. La variation du signal FPI est due à la contraction de la pointe, qui est liée à la perte d'eau à l'intérieur de la structure PETA. Lorsque la contamination par l'eau est inférieure à 10%, la pointe présente une sensibilité de 394 pm/wt.% et 226 pm/wt.% pour les solutions de glycérol et d'éthylène glycol, respectivement. Ainsi, la pointe PETA basée sur le FPI présente un grand potentiel pour la détermination de la teneur en eau de solutions aqueuses, y compris les hydrocarbures.Enfin, une pointe constituée d'un cœur PETA et d'une enveloppe de polymères à empreintes moléculaires (MIP) a été mise au point pour détecter la Dansyl-L-phénylalanine. La pointe PETA est initialement fabriquée en utilisant la polymérisation autoguidée et les MIP sont ensuite copolymérisés pour former une fine couche d'enveloppe autour de la pointe PETA. Lors de la détection sélective de la Dansyl-L-phénylalanine, l'indice de réfraction de la couche de MIP change, ce qui entraîne une modification du signal FPI de l'ensemble de la pointe PETA/MIP. Cette méthode simple offre de nouvelles possibilités pour créer des capteurs à fibre optique MIP à base de FPI applicables à une large gamme d'analytes, qu’ils soient fluorescents ou non.

Fabry−Perot interferometers (FPIs) have received a significant attention for their use in sensor applications. FPIs consist of an optical cavity with separate parallel reflecting surfaces which reflect incident light, resulting in an optical interferometric signal. The FPI signal depends on the distance between the reflecting surfaces and the refractive index of the cavity medium, which are sensitive to variation of environment humidity, temperature, pressure, and material. FPIs can be attached to optical fibers to form compact fiber optic FPI-based sensors in which the optical fiber works as a waveguide for both incident and reflected signal. This thesis presents FPI-based chemical sensors incorporating a polymer microtip located at the end of an optical fiber and characterizes their sensing capabilities for humidity, water, and chemical targets.Firstly, we develop a pentaerythritol triacrylate (PETA) tip on the facet of an optical fiber by a self-guiding photopolymerization. One end of the optical fiber is placed inside a PETA droplet and the self-guiding photopolymerization of PETA is actuated by a 375 nm laser injected to the other end of the fiber. The optimal conditions to form a straight and mechanically stable PETA tip are 1.0 μW of laser power × 1.0 second of exposure time. However, the PETA chains do not completely polymerize during this self-polymerization, leading to an unstable dynamic resonant frequency of the tip. Thus, the tip needs a post-polymerization under a UV 365 nm lamp to achieve a stable dynamic characteristic, which is applicable for further sensing applications.Secondly, we demonstrate the PETA tip as an effective sensor to detect humidity. The PETA tip acts as an optical cavity formed between the fiber-core/PETA and the PETA/environment interface, resulting in a clear interferometric signal. The FPI signal of the tip is highly sensitive to humidity in the air. This is due to hydroxyl groups within the PETA structure, which strongly absorb water molecules in the humid air and significantly swell the tip. The length and/or the refractive index of the tip are therefore changed, resulting in a FPI shift. The tip exhibits a consistent sensitivity of 90pm/%RH, equivalent to a relative sensitivity of 104 ppm/%RH in the humidity range from 30 to 80%. The sensing performance is highly reproducible and stable. Furthermore, the cross effect of the temperature is negligible, indicating a great practical potential for the devices.Next, we apply the FPI-based PETA tips to determine the water content in glycerol and ethylene glycol solutions. The FPI signal of the PETA tip shifts nonlinearly towards longer wavelengths as the water content increases from 0 to 100 wt.%. The shift in the FPI signal occurs due to the contraction in the tip length, which is linked to the loss of water inside the PETA structure caused by the hydrophilic solutions. When the water contamination is below 10 wt.%, the tip shows a sensitivity of 394 pm/wt.% and 226 pm/wt.% for glycerol and ethylene glycol solutions, respectively. Therefore, the FPI-based PETA tip shows a great potential in determining water content in hydrophilic aqueous solutions, including hydrocarbons.Finally, a tip consisting of a PETA core and a shell of molecularly imprinted polymers (MIPs) is developed for detecting Dansyl-L-phenylalanine. The PETA tip is initially fabricated using the self-guiding polymerization and MIPs are then copolymerized to form a thin shell layer around the PETA tip. Upon the selective binding of Dansyl-L-phenylalanine, the refractive index of the MIP layer changes, leading to the change in the FPI signal of the whole PETA/MIP tip. This straightforward and affordable method offers new innovative possibilities for creating FPI-based MIP fiber optic sensors, which can be applied for a wide range of analytes, including both non-fluorescent and fluorescent targets.