Modellierung und Charakterisierung von integriert-optischen Wellenleitern im Zusammenwirken mit Polymerfilmen und flüssigkristallinen Schichten für die Umweltanalytik

Abstract

In der vorliegenden Arbeit ist das Zusammenwirken von integriert-optischen Wellenleitern mit Polymerfilmen und flüssigkristallinen Schichten unter dem Einfluß von organischen Lösungsmitteln dargestellt und modelliert. Ausgewählte, nematische Flüssigkristalle mit unterschiedlichen Klärpunkten und unterschiedlicher Doppelbrechung werden einer Reihe organischer Lösungsmittel ausgesetzt und die Änderung der Brechungsindizes optisch gemessen. Dabei wird der Zusammenhang zwischen der optischen Anisotropie und der Orientierung der Flüssig-kristallmoleküle ausgenutzt. Integriert optische Mach-Zehnder Interferometer und integriert optische Gitterkoppler dienen als Evaneszentfeldtransducer zur Brechungsindexmessung. Die Daten aus den Flüssigkristallmessungen werden mit Ergebnissen aus Messungen an einem bekannten, isotropen Polymer verglichen. Daraus läßt sich der Einfluß des Analyten auf den Klärpunkt, den Ordnungsgrad und die Dichteänderung im Flüssigkristall charakterisieren. Die Diskussion der experimentellen Ergebnisse wird durch ein mathematisches Modell für die Flüssigkristall / Analyt Wechselwirkung unterstützt. Das Modell beschreibt den experimentell beobachteten Zusammenhang zwischen der Analytkonzentration und dem Brechungsindex des Flüssigkristalls und ermöglicht so eine transducerfreie Darstellung der Ergebnisse. Die Ergebnisse aus der vorliegenden Arbeit zeigen die Möglichkeiten und Grenzen für den Einsatz von Flüssigkristallen in der optischen Sensorik von organischen Lösungsmitteln auf.

The concept of integrated optics originally has been introduced for the use in telecommunication and optical signal processing. At present, integrated optical devices getting increasing importance as optical sensors. In the present thesis the interaction of volatile organic solvents with nematic liquid crystal overlays on planar waveguides are characterised and modelled. Liquid crystals with different nematic ranges are exposed to various organic solvents eg. xylene isomers. The penetration of the liquid crystal by an analyte decreases the original degree of polarisation and reduces the order parameter which is related to the birefringence of the nematic system. Integrated optical Mach-Zehnder interferometers and reflection grating couplers as well were used to measure the changes in refractive indices of the liquid crystals. The results are discussed and compared to the data obtained from reference measurements using sensitive polymer coatings. A Landau-DeGennes based model is presented in order to describe the influence of an isotropic dopant e.g. an analyte to the clearing point and the order parameter. The results point out the potentials and limitations of liquid crystals for the application in environmental sensing.