Laboratorium badawcze chemicznych czujników gazu

Potencjał możliwości pomiarowych Katedry Optoelektroniki Politechniki Śląskiej obejmuje wielokanałowe układy dozowania mieszanin gazowych umożliwiające badanie i wyznaczanie podstawowych parametrów metrologicznych chemicznych czujników gazu. Badane czujniki gazu umieszczane są w komorach pomiarowych, które pozwalają eksponować je na mieszaniny o zadanej koncentracji badanego analitu gazowego. Układy umożliwiają podłączenie dowolnych butli z badanymi mieszaninami gazowymi o kalibrowanych składach mieszanek. Układy dozowania są wyposażone w precyzyjne i inertne chemicznie reduktory gazowe, przepływomierze masy, układy filtracji mieszaniny gazowej oraz kontrolę wilgotności i temperatury badanej mieszaniny. Tory pneumatyczne wykonano ze stali nierdzewnej o wysokiej jakości. Zastosowano standardy połączeń pneumatycznych typu Swagelok® i VCR® w instalacjach gazowych. Systemy pomiarowe są w pełni automatyczne i zarządzane serwerami gazowymi, co pozwala na uzyskanie mieszanin gazowych o zmiennej koncentracji badanego analitu gazowego. Układy badawcze dozowania mieszanin do badania parametrów metrologicznych chemicznych czujników gazu wyposażono w referencyjne czujniki komercyjne (elektrochemiczne, IR, katalityczne, itp).

Laboratorium technologiczne wytwarzania struktur cienkowarstwowych

Laboratorium realizuje prace badawcze i technologiczne w zakresie wytwarzania cienkich warstw i struktur cienkowarstwowych technikami PVD: metodą rozpylania magnetronowego, rozpylania wiązką elektronów i odparowania w próżni, oraz metodami chemicznymi. Laboratorium wyposażone jest w napylarki współpracujące z układami pompowymi zbudowanymi na bazie pomp turbomolekularnych. Układy te pozwalają na uzyskanie próżni bazowej roboczej rzędu 10^-7 mbar. Prace prowadzone w laboratorium w głównej mierze ukierunkowane są na wytwarzanie biernych i czynnych warstw oraz układów wielowarstwowych dla zastosowań w optoelektronice zintegrowanej, fotonice, elektronice oraz optycznej i akustoelektronicznej sensoryce. Laboratorium technologiczne Katedry Optoelektroniki Politechniki Śląskiej zajmuje się:

• opracowaniem i wytwarzaniem światłowodów planarnych o skokowym współczynniku załamania metodą reaktywnego rozpylania magnetronowego w próżni,
• technologią cienkich warstw metalicznych Au, Cu, Pd, Ag, Al, Ti, Ni, W, Mo, Cr, otrzymywanych techniką rozpylania magnetronowego i parowania w próżni (w szczególności metali o katalitycznych własnościach),
• opracowaniem i technologią plazmonowych i interferencyjnych struktur sensorowych w układach światłowodu planarnego, paskowego oraz na włóknach optycznych,
• wytwarzaniem warstw chemo- (gazo-) i elektrochromicznych tj. WO3, V2O5, MoO3, Nb2O5,
• technologią cienkich warstw ftalocyjanin i polimerów w tym polimerów przewodzących (PANi, PPy, i.in.),
• badania i wytwarzanie wielowarstwowych struktur dielektrycznych o dużym kontraście dielektrycznym dla zastosowań w zwierciadłach dielektrycznych, filtrach interferencyjnych i strukturach fotonicznych,
• nanoszenia warstw rezystywnych i przewodzących oraz układów elektrod i przetworników grzebieniowych na potrzeby układów elektrycznych i elektronicznych.

Laboratorium metrologiczne mikroskopii skaningowej i spektrometrii

Katedra Optoelektroniki Politechniki Śląskiej dysponuje laboratoriami metrologicznymi, pozwalającymi na wszechstronną nanoidentyfikację i nanocharakteryzację warstw oraz badania własności optycznych struktur fotonicznych i plazmonowych oraz struktur mikroelektronicznych w szerokim zakresie widma promieniowania elektromagnetycznego. Informacje dotyczące morfologii oraz struktury układów cienkowarstwowych otrzymuje się metodami STM/AFM/XRF. Metodami spektroskopowymi UV-VIS oraz elipsometrią struktury charakteryzowane są pod kątem własności optycznych. Pełnej charakterystyki struktur dopełnia spektroskopia ramanowska i mikroskopia optyczna pola bliskiego. Mnogość metod pomiarowych umożliwia pełną charakteryzację fizykochemiczną badanych cienkich warstw i ich układów.

Potencjał możliwości charakteryzacji struktur cienkowarstwowych:

• system Ntegra Spectra (NT-MDT) – kompleksowe pomiary w zakresie mikroskopii sił atomowych (AFM kontakt, półkontakt); skaningowej mikroskopii konfokalnej, mikroskopii optycznej w polu bliskim SNOM, skaningowej spektroskopii ramanowskiej (532 nm, 633 nm), skaningowej mikroskopii tunelowej STM,
• spektrometr rentgenowski fluoroscsencyjny XRF (NT-MDT) – analiza składu chemicznego,
• spektralny elipsometr 250-1700 nm – wyznaczane parametrów optycznych,
• metody spektrometryczne UV-VIS-NIR, spektrometry 200-1100 nm (Ocean Optics),
• stanowisko badawcze do wyznaczania właściwości modowych planarnych i siatkowych struktur fotonicznych.

Laboratorium technologii światłowodowej

Badania struktur fotonicznych ze sprzęgaczami siatkowymi oraz badania optycznych struktur falowodów planarnych wykonanych z materiałów półprzewodnikowych o szerokiej przerwie energetycznej, wymagają wykorzystania stanowisk badawczych w dużej części dedykowanych. Dla potrzeb badań powyższych struktur zostało zaprojektowane, zbudowane i wykorzystane prototypowe (oryginalne) stanowisko badawcze do wyznaczania charakterystyk modowych z wykorzystaniem sprzęgaczy pryzmatycznych oraz struktur fotonicznych ze sprzęgaczami siatkowymi. Głównym elementem stanowiska jest goniometr, na bazie silnika krokowego posiadający rozdzielczość kątową na poziomie αr = 0,0005°. Stanowisko to składa się także ze źródła światła - lasery półprzewodnikowe o różnych długościach fal: λ=635 nm, λ=650 nm, λ=670 nm, λ=677 nm ze stabilizacją parametrów zasilania oraz stabilizacją temperatury. W celu ustalenia stanu polaryzacji wiązki światła w torze optycznym, zastosowano polaryzator krystaliczny oraz rotator optyczny, ustalający stan polaryzacji pobudzanych modów: TE lub TM. Badana struktura fotoniczna ze sprzęgaczem siatkowym lub światłowód planarny ze sprzęgaczem pryzmatycznym umieszczona jest na stoliku goniometrycznym. Sygnał optyczny z badanej próbki jest przenoszony do fotodiody o dużej powierzchni światłoczułej. W celu eliminacji zakłóceń stosowano detekcję homodynową, w tym celu zastosowano wzmacniacze typu Lock-In. Akwizycja danych pomiarowych odbywa się w komputerze klasy PC.

Laboratorium wytwarzania światłowodów metodami dyfuzji i elektrodyfuzji jonów

W pracowni realizowane są procesy technologiczne wymiany jonowej w szkłach. Wykorzystuje się do tego szkła (najczęściej) krzemianowe zawierające w swoim składzie duże ilości (kilka %) modyfikatora mającego relatywnie niską energię wiązania z więźbą szkła. Modyfikator ten występuje w strukturze szkła w postaci jonowej. W szkłach krzemianowych modyfikatorem tym jest najczęściej jon sodu (Na+). Pracownia wyposażona jest w piece oporowe, w których osiągane są temperatury rzędu 400÷500°C. Jako ciekłe źródła jonów domieszek (Ag+, K+) stosowane są odpowiednie azotany. Znajomość temperaturowych zależności współczynników dyfuzji wymienianych jonów umożliwia kontrolę efektów tych procesów w czasie rzeczywistym na podstawie bieżącego pomiaru temperatury procesu. Stwarza to możliwość uzyskiwania wysokiej powtarzalności technologicznej właściwości refrakcyjnych wytwarzanych struktur gradientowych. W pracowni znajduje się również stanowisko umożliwiające realizację procesów dyfuzji wspomaganej polem elektrycznym (elektrodyfuzji).

Laboratorium fotolitografii i nanoszenia warstw polimerowych

Podstawowym elementem laboratorium, jest urządzenie firmy Karl Sűss które przeznaczone jest do kopiowania wzorca z maski fotolitograficznej na powierzchnię fotorezystu. Pozostałe elementy laboratorium to:

• miejsce przygotowania podłoży,
• wirówka do nanoszenia fotorezystu,
• sterowany piec do procesów termicznych,
• miejsce do wywoływania i usuwania fotorezystu,
• miejsce do procesów trawienia,
• mikroskopu Nikon ECLIPSE E200 z kamerą CCD.

Urządzenie do naświetlania pozwala na przeprowadzanie procesu naświetlania z wykorzystaniem długości fali 365 nm techniką kontaktową. Stąd wyposażone jest w szereg elementów umożliwiających poprawne centrowanie podłoża z fotomaską oraz odpowiedni docisk podłoża do fotomaski. Podstawowe moduły urządzenia to: układ naświetlania, układ uchwytów fotomasek i podłoży oraz układ centrowania. Dla poprawnego działania urządzenie wymaga podłączenia trzech linii pneumatycznych: sprężonego powietrza, podciśnienia oraz azotu, które są niezbędne do sterowania wszystkimi jego funkcjami. Ze względu na fakt, że wszystkie etapy procesu fotolitograficznego powinny być prowadzone w warunkach jak największej czystości otaczającego środowiska, urządzenie zainstalowane jest w komorze laminarnej z cyrkulacją i filtracją powietrza typu ESCO AIRSTREAM KlasaII, w klimatyzowanym pomieszczeniu. Wirówka firmy Rein Raum Technik Lanz, model EBS 11, jest wyposażona w regulator prędkości obrotowej oraz przyspieszenia pozwala na nanoszenie warstw fotorezystów oraz innych warstw metodą spin-on. Urządzenie jest wyposażone w podciśnieniowy uchwyt podłoży. Sterownik wirówki pozwala na programowanie wartości prędkości oraz przyspieszeń kątowych.

Laboratorium badania efektów magnetooptycznych

Laboratorium ukierunkowane jest na badanie efektów magnetooptycznych w strukturach optycznych, takich jak: światłowody planarne i optyczne struktury objętościowe. W laboratorium testowane są:

• światłowodowe czujniki prądu,
• światłowodowe czujniki pola magnetycznego.

Podstawowym badaniem jest wyznaczanie stałej Verdeta oraz czułości magnetooptycznej czujników. Z uwagi na złożoność problematyki projektowania i budowania światłowodowych czujników polarymetrycznych, do których zaliczają się światłowodowe czujniki prądu i pola magnetycznego, laboratorium dysponuje stanowiskami do badań własności polaryzacyjnych, takich jak: wyznaczanie drogi zdudnień oraz badanie wpływu deformacji poprzecznych i skrętnych, a także badania wpływu drgań na własności polaryzacyjne czujników.

Najważniejsza aparatura będąca na wyposażeniu laboratorium:

• analizator stanu polaryzacji DCP5500 na podczerwień (1510 – 1640 nm),
• analizator stanu polaryzacji z głowicami na zakres widzialny (400 – 700 nm) oraz podczerwień (1300 – 1700 nm),
• kontroler diod laserowych (ze stabilizacją temperatury),
• cewka powietrzna, długa (dł.: 60 cm),
• cewka powietrzna, długa (dł.: 80 cm),
• cewka powietrzna, krótka (dł.: 12 cm),
• zasilacze laboratoryjne prądu stałego (0-30 V; 0-20 A),
• autotransformator (1 fazowy, 0-230 V; 23 A),
• mierniki pola magnetycznego z sondą poprzeczną i podłużną

Laboratorium emisji akustycznej

Emisja akustyczna (EA) - zastosowanie emisji akustycznej do badań wyładowań niezupełnych (WNZ) w materiałach i urządzeniach elektroenergetycznych.

• Pomiary WNZ metodą EA w układach z zamodelowanymi źródłami.
• Analiza właściwości sygnałów EA pochodzących od różnych typów zamodelowanych źródeł WNZ.
• Lokalizacja źródeł WNZ metodą triangulacji.
• Pomiary WNZ metodą EA w prętach cewek generatorów. 
• Analiza właściwości sygnałów EA pochodzących od rzeczywistych źródeł WNZ występujących w prętach cewek generatorów.
• Lokalizacja źródeł WNZ w prętach cewek generatorów metodą stopnia zaawansowania sygnału EA.
• Pomiary WNZ metodą EA w olejowych transformatorach energetycznych.
• Analiza właściwości sygnałów EA pochodzących od rzeczywistych źródeł występujących w olejowych transformatorach energetycznych.
• Sporządzanie map deskryptorów EA na ścianach bocznych transformatora i lokalizacja źródeł WNZ metodą stopnia zaawansowania sygnału EA.

Badania wykonywane są autorskimi systemami pomiarowymi (trzykanałowym systemem pomiarowym DEMA-COMP lub ośmiokanałowym systemem pomiarowym 8AE-WNZ) do badań zjawisk wyładowań niezupełnych (WNZ) metodą emisji akustycznej (EA) w warunkach laboratoryjnych oraz in situ.