Optical characterization of dielectric films on curved surfaces using diffraction method

Abstract

In this thesis, we aim to characterize optical properties of thin dielectric films coated on curved surfaces. Indeed, optical thin films attract a great deal of attention especially the ones coated on silica based optical waveguides used as sensor system. Therefore, the step index optical fiber is used in the thesis as a substrate due to the fact that the sensor technology tends towards to fiber optic based platforms. In the thesis, a step index optical fiber is coated with polyvinyl alcohol (PVA), then its thickness is mathematically estimated exploiting Fresnel scalar diffraction method. Phase front of the laser light wave comes across with a phase object (fiber optic), transmits through of it and diffracts. Whole process is modeled by using numerical analysis methods and compared to experimental results to obtain desired parameters in MATLAB. The conventional least-squares method is used for comparison purpose. Although the emphasis is on optical thin film characterization, we demonstrate the application area of diffraction from fiber optic as sensor. It is used to detect adulteration of olive oil that is big concern for the food industry. The refractive index of various mixture of olive oil and sunflower oil is measured with intend to detect adulteration. This feature makes it a good candidate for fiber optic based refractive index sensor and it may bring practicability and precision to the sensing process. This dissertation gives detailed information about diffraction from fiber optic both theoretically and experimentally. The experiments were realized by using 632.8 nm continuous wave laser. Both of the experimental results demonstrate that phase diffraction method is a powerful technique to characterize optical thin films and to sense refractive index of the surrounding medium.Bu tezde eğimli yüzeylerde optik yalıtkan film kaplamanın karakterizasyonunu amaçlanmıştır. Bu amaçla alt tabakası silikon bazlı optik dalga kılavuzu olan fiber optik kullanılıp, etrafı polivinilalkol film ile kaplanmıştır. Bu durum tamamıyle fiber optik bazlı sensörlerin geliştirilmesine olanak sağlamaktadır. Kaplanan filmin optik karakterizasyonun yapılması için, Fresnel’in difraksiyon teorisinden aydalanılmıştır. Gönderilen dalga yüzleri faz objesiyle karşılaşıp, faz objesi üzerinden geçtikten sonra difraksiyona uğrar. Bütün bu sürecin matematiksel modellenmesi MATLAB programında yapılmıştır. Bu modellemede elde edilen eşitlikler, bazı integral bazlı numerik çözüm tekniklerinden yararlanılarak sonuca ulaştırılmıştır. Yapılan matematiksel modelleme deneyler sonucunda elde edilen difraksiyon deseniyle karşılaştırılıp bulunması istenilen değişkenin tahmin edilmesi hususunda geleneksel en küçük kareler yöntemi kullanılmıştır. Vurgulamanın asıl olarak kaplanmış fiber optik üzerindeki ince yalıtkan filmlerin karakterizasyonunda olmasının yanısıra, faz difraksiyon yönteminin bir sensör uygulaması olarak yüksek hassasiyetle kırıcılık indisi belirlenmesi, ve buna bağlı olarak zeytinya- ğındaki tağşiş seviyesi saptanmıştır. Bu bulgular ile difraksiyon yönteminin kırıcılık indisi belirlenmesindeki yüksek hassasiyetli rolü fiber optik bazlı sensör tasarımını mümkün kılabilir. Yapılan deneylerde 632.8 nm dalga boyunda sürekli dalga çıktısı olan lazer kullanıldı. Sonuç olarak faz difraksiyon yöntemi optik ince filmlerin karakterizasyon ve fiber optik çevresindeki sıvıların kırıcılık indisinin ölçümü amacıyla kullanılabilecek olan güçlü bir method olarak değerlendirilmelidir.