Vláknová optika pro biologii a medicínu

Přednášející:

Cvičící:

Předmět zajišťuje:

katedra přírodovědných oborů

Anotace:

Optické vlákno, základní parametry, podmínka vedení, přístup geometrické a vlnové optiky, Maxwellovy rovnice, vidová struktura. Optické vláknové prvky, optické vlákno jako zobrazovací prvek. Optické vláknové svazky, endoskop. Úvod do optických vláknových senzorů, základy spektroskopie, pasivní a aktivní optické vláknové senzory, reflexní a transmisní optické vláknové biosenzory, chemické a povrchové plazmony využívající optické vláknové bisenzory.

Požadavky:

1. udělení zkoušky

Zápočet ze cvičení, závěrečný test - 10 otázek a příkladů po max. 10 bodech z probrané látky (na 90 minut), požadavek - min. 60 bodů.

2. udělení zápočtu

Minimálně 80% účast na cvičení, PP prezentace na seminář „Optické vláknové senzory“ (OVS) - výběr libovolného systému OVS na cca 10 - ti slidech v PP (vždy po dvojicích), protokoly z měření, absolvování testu na konci 7-mého cvičení (5 příkladů po 10-ti bodech), požadavek - min. 30 bodů.

Osnova přednášek:

1.Úvod do vláknové optiky - princip šíření světla optickým vláknem (OV), rozdělení, užití a technologie přípravy OV

2.Definice optického vlákna, odvození základních parametrů v přístupu geometrické optiky, totální reflexe, normalizovaná frekvence a počet vidů, útlum a kritický poloměr ohybu, evanescentní pole a hloubka vniku

3.Šíření elektromagnetického záření optickým vláknem - Maxwellovy rovnice pro válcově symetrické prostředí

4.Řešení Maxwellových rovnic - vidová struktura, jedno a vícevidové optické vlákno, rozdělení výkonu vedeného v jádře a obalu optického vlákna

5.Základní měřící metody měření parametrů optických vláken - geometrie, index lomu, spektrální závislost útlumu

6.OV pro zobrazování a osvětlování, vlákno jako zobrazovací prvek, optické vláknové svazky, endoskop, optické vláknové sondy (OVSo),

7.Optické vláknové elementy, kónická a zúžená optická vlákna, změna jejich základní parametrů a srovnání s klasickým optickým vláknem, speciální optická vlákna

8.Úvod do optických vláknových senzorů - definice vláknového senzoru, jeho základní části, rozdělení senzorů na vlastní a nevlastní

9.Úvod do základů spektroskopie - absorpce, fluorescence, Jablonskeho diagram, příklad OVSo pro reflexní spektroskopii

10.Chemické optické vláknové senzory - příklady vlastních a nevlastních senzorů

11.Optické vláknové biosenzory - struktura a jejich popis

12.Reflexní a transmisní optické vláknové biosenzory

13.Biosenzory využívající vláknové optické elementy - tapery, kónická vlákna

14.Vláknové biosenzory využívající povrchové plazmony a speciální vlákna

Po každé přednášce bude studentům předána pp prezentace.

Osnova cvičení:

7 x 2 hod. procvičování výpočtů základních parametrů optický vláken. Příklady výpočtu parametrů reálných optických vláken, výpočet rozložení vidů v reálném vlákně s použitím Maxwellových rovnic, vliv geometrie optického vlákna a indexu lomu na normalizovanou frekvenci, „cutoff“ vlnovou délku, hloubku vniku a ztráty vlivem ohybu vlákna. Na konci sedmého cvičení kontrolní test - 5 příkladů (max. 50 bodů) na cca 30 minut. Požadavek pro zápočet minimálně 30 bodů.

3 x 2 hod. laboratorní cvičení - 1. Spektrální měření útlumu: Metoda dvou délek, 2. Určení kritického ohybu, 3. Měření geometrie optických vláken na mikroskopu. Zpracování výsledků měření včetně popisu metody do protokolu.

1 x 2 hod. Seminář „Optické vláknové senzory“ - výběr libovolného optického vláknového senzorového systému - studenti vždy po dvojici připraní pp prezentaci na 10 - 15 min (cca 10 snímků)

2 x 2 hod. Exkurze na pracoviště Technologie optických vláken ÚFE AV ČR, v.v.i., Praha 6 - Suchdol

1 x 2 hod. Zkouškový test - 10 otázek z probrané látky a příkladů ze cvičení

Cíle studia:

1.Seznámit se základy vláknové optiky v přístupu geometrické a vlnové optiky včetně základních vztahů pro výpočet důležitých parametrů optických vláken.

2.Získat přehled o typech optických vláken a jejich parametrů důležitých pro jejich aplikace v biologii a medicíně

3.Získat základy o optických vláknových senzorech a biosenzorech v biologické a medicínské aplikaci.

4.Získat praktickou zkušenost práce s optickým vláknem a jejich měření v rámci laboratorních úloh.

Studijní materiály:

[1] Pospišilová, I. Kašík, V. Matějec: „Vláknová optika pro biologii a medicínu“, ČVUT v Praze 2011

[2] www.ufe.cz

Materiál k probírané látce na www stránkách:

http://www.bluerr.com/images/Overview_of_FOS2.pdf

http://www.thefoa.org/tech/ref/OSP/fiber.html

http://www.wtec.org/loyola/opto/c6_s3.htm

http://classes.engr.oregonstate.edu/eecs/spring2011/ece483-001/Review%20paper%20Chemical%20Sensors%20and%20Biosensors.pdf

Poznámka:

Další informace:

Pro tento předmět se rozvrh nepřipravuje

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Navazující magisterský studijní obor Přístroje a metody pro biomedicínu (povinný předmět)