Mid-infrared integrated photonic sensors of water and ice films for harsh environments

Identifier:  TDX:2551

Handle: https://hdl.handle.net/20.500.11797/TDX2551

Authors:  Martínez García, Javier

Abstract:
Al atravesar una aeronave nubes situadas a media altitud que están principalmente compuestas de incontables gotas de agua en subfusión, corre el riesgo de engelamiento en sus partes más expuestas. Incluso una capa submilimétrica de hielo formada sobre elementos como alas, motores o tubos de pitot puede reducir drásticamente su sustentación y rendimiento y, por tanto, afectar a su eficiencia y maniobrabilidad hasta el punto de causar una pérdida de control y posterior accidente. Las tecnologías anti-hielo instaladas en aeronaves modernas buscan reducir este problema mediante sistemas que no solo derritan el hielo acumulado si no que lo detecten antes de que resulte peligroso. En esta Tesis se presenta un nuevo y ultrasensible, pero a su vez robusto, sensor de hielo basado en fotónica integrada de IR-medio que puede ser montado en cualquier superficie sin apenas pérdida aerodinámica. A partir de la detección de cambios en los rasgos característicos del agua en el IR-medio que están asociados intrínsecamente a variaciones en su estructura molecular para sus diferentes fases, se demuestra la detección de hielo con alta sensibilidad y rapidez para conseguir una alerta temprana de engelamiento en vuelo. A lo largo de esta Tesis, se trata, desde las perspectivas fundamental y aplicada, el desarrollo completo del sensor abarcando desde la concepción teórica hasta la demonstración experimental de su rendimiento y fiabilidad en un túnel de viento. Por último, se presenta un segundo sensor con mejor sensibilidad a costa de una robustez reducida para la detección de pequeños volúmenes de contaminantes químicos en agua. El sensor aprovecha la excitación de un plasmón superficial en el IR-medio que intensifica la interacción entre luz y analito alrededor de resonancias moleculares. Esto enfatiza más si cabe los enormes beneficios que operar el IR-medio puede aportar a futuros sensores fotónicos integrados.