Wdrażanie technologii FSO w cywilnych i wojskowych infrastrukturach komunikacyjnych było bardzo powolne. Wysoki koszt ich budowy w połączeniu z dość wysokim tłumieniem sygnału wczesnych systemów FSO stanowiły poważne bariery dla ich powszechnego użycia. Jednak ze względu na ich dużą przepustowość oraz brak wymagań dotyczących widma promieniowania, systemy te były i są nadal rozwijane. Rozwój zaawansowanych technologii elementów optoelektronicznych, technik oprogramowania oraz platform sprzętowych przyczyniły się do znacznej poprawy parametrów tych łączy. Przykładowo, systemy hybrydowe RF/FSO, mają zwiększoną dostępność do 99,999% nawet w niesprzyjających warunkach atmosferycznych. Historia łączności optycznej otwartej przestrzeni Komunikacja optyczna jest jedną z najwcześniejszych stosowanych form komunikacji. Na początku odbywała się ona na bardzo krótkie odległości np. przy użyciu rąk i ramion. Gdy pojawiła się potrzeba komunikacji na duże odległości, w szczególności odległości poza zasięgiem słyszalności, opracowano bardziej zaawansowane formy komunikacji optycznej, Na początku używano ognia, dymu lub światła słonecznego. Powstała również komunikacja optyczna w postaci semafora lub telegrafu optycznego. Wynalezienie teleskopu optycznego znacznie zwiększyło zasięg przesyłania informacji. Technika ta odgrywała istotne znaczenie we Francji za czasów Napoleona Bonaparte. W kolejnym etapie rozwoju, telegraf optyczny został zastąpiony telegrafem elektromagnetycznym i był używany w niektórych krajach aż do początku XX wieku [1]. Przykładowo, układ transmitujący kod Morse'a odbijając światło słoneczne, był używany przez pakistańskie wojsko do roku 1975 [2]. Do tej pory stosowane są proste techniki przesyłania informacji przy zastosowaniu lampek sygnalizacyjnych w marynarce wojennej, w systemach kontroli lotów do komunikowania się z pilotami w przypadku awarii łączności radiowej. Pierwsza udana transmisja głosu w wiązce świat[...]

Przedstawiono możliwości zastosowania laserowej spektroskopii absorpcyjnej w diagnostyce medycznej. Omówiono różne techniki wykrywania markerów chorobowych w wydychanym przez człowieka powietrzu. W zasadniczej części pracy przedstawiono techniki przestrajania widma promieniowania laserowego oraz zaproponowano układy sterowania pracą kwantowych laserów kaskadowych dedykowanych do omawianych aplikacji. Abstract. The paper presents the possibility of using laser absorption spectroscopy in medical diagnostics. Some detection techniques of disease markers existed in exhaled air are described. There is also discussed performance of quantum cascade lasers (QCL’s) in view of their applications in infrared spectroscopy. In the main part the work, some methods of QCL’s spectral tuning are analyzed. In summary, preliminary test results of the special QCL driving system for the wavelength tuning are discussed. (Quantum cascade lasers driving in optical spectroscopy). Słowa kluczowe: laserowa spektroskopia absorpcyjna, sterownik laserowy, kwantowy laser kaskadowy, diagnostyka medyczna Keywords: laser absorption spectroscopy, laser driver, quantum cascade lasers, medical diagnostics Wstęp Analiza powietrza wydychanego przez człowieka staje się jedną z najbardziej rozwijanych metod nieinwazyjnego diagnozowania stanu jego zdrowia. W powietrzu tym znajdują się tysiące molekuł tworzących mieszaninę gazów (np. NO, CO2, CO), lotnych związków organicznych (izopren, etan, pentan, aceton) oraz wiele innych substancji nielotnych [1]. Związki te mogą mieć pochodzenie zarówno egzogenne jak i endogenne, a dokładna ich analiza może umożliwić określenie sygnatur procesów zachodzących w ciele ludzkim. W porównaniu z innymi metodami badań medycznych, analiza oddechu może zapewnić bezpieczeństwo i spokój pacjentom podczas diagnozowania. Ma to szczególne znaczenie w trakcie długotrwałego leczenia, które wymaga codziennego monitorowania stanu zdrowia [2[...]

W pracy przedstawiono układy sterowania laserami kaskadowymi (quantum cascade lasers - QCL) pod kątem ich zastosowania w dwóch technikach; spektroskopii strat we wnęce optycznej oraz spektroskopii wieloprzejściowej. W trakcie projektowania tych sterowników, szczególną uwagę zwrócono zarówno na parametry czasowo-energetyczne wytwarzanych sygnałów, oraz na możliwości zastosowania dwóch technik przestrajania promieniowania laserowego tzn. wewnątrzimpulsowej lub międzyimpulsowej. Przeprowadzono również wstępne badania, które umożliwiły określenie właściwości tych układów oraz dały podstawę do opracowania kompaktowych sterowników laserów QCL. Abstract. Quantum cascade laser drivers for absorption spectroscopy - the paper presents the fundamental aspects of optical spectroscopy using quantum cascade lasers. Two driving systems were described in terms of both QCL research and QCL applications in cavity ring down and multipass techniques. During drivers designing, the particular attention was given not only to energy-time parameters range (power, frequency, pulse duration, rise time). There were also adapted so-called spectral tuning techniques, i.e. intrapulse or interpulse wavelength modulation. Preliminary studies gave the possibility to determine the properties of designed drivers. (Quantum cascade laser drivers for absorption spectroscopy). Słowa kluczowe: spektroskopia laserowa, kwantowe lasery kaskadowe, analiza gazów, sterownik lasera. Keywords: laser absorption spectroscopy, quantum cascade lasers, gases analysis, laser driver. Wprowadzenie Spektroskopia laserowa z zakresu podczerwieni jest skutecznym narzędziem do detekcji oraz identyfikacji śladowych ilości substancji gazowych [1]. Sensory, w których stosowana jest powyższa technika, umożliwiają uzyskanie progu czułości rzędu ppb (ang. part per billion), a w niektórych przypadkach nawet ppt (ang. part per trillion). Duża czułość tych sensorów jest osiągana dzięki absorpcji promieniow[...]

  W ostatnim okresie czasu rośnie zainteresowanie badaniami wydychanego przez człowieka powietrza, w celu monitorowania jego stanu zdrowia, przez pomiar stężenia biomarkerów chorobowych. Biomarkerami tymi są gazy występujące w oddechu, których stężenie uzależnione jest od stanu zdrowia pacjenta [1]. Stężenie biomarkerów w wydychanym powietrzu bywa bardzo małe, zatem zmierzenie jego jest możliwe dzięki zastosowaniu najczulszych technik: spektrometrii mas, chromatografii gazowej (GC-MS), chemiluminescencji, czy spektroskopii laserowej. Laserowa spektroskopia absorpcyjna jest metodą badawczą, w której koncentrację biomarkera określa się na podstawie analizy sygnału zaabsorbowanego promieniowania optycznego [2]. Do wykrycia ściśle określonego biomarkera, wymagana jest dokładna wiedza na temat jego widma absorpcyjnego oraz interferujących widm innych gazów (interferentów). Aby zwiększyć wiarygodność uzyskiwanych wyników pomiarowych niezbędne jest pobranie próbki oddechu od pacjenta w odpowiednim momencie w czasie fazy wydechu. Opis procesu pobierania biomarkerów Podczas pobierania biomarkerów niezwykle ważne jest zastosowanie odpowiedniej metodyki, która uzależniona jest od rodz[...]

W pracy przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych układu kondycjonowania próbek gazowych do optoelektronicznego sensora markerów chorobowych. Omówiono zasadę działania systemu do wykrywania biomarkerów chorobowych w wydychanym powietrzu wykorzystującego techniki spektroskopii laserowej. Wyjaśniono konieczność stosowania układów umożliwiających osiągnięcie odpowiednich parametrów próbek pomiarowych poddawanych badaniom oraz dostarczenie ich do czujników. Abstract. This thesis presents the results of experimental studies of the gas sample’s conditioning system for optoelectronic sensor disease markers. One discussed the principle of operation of the system for the detection of disease biomarkers in exhaled breath using laser spectroscopy techniques. There had been explained the need of using conditioning systems to achieve the relevant parameters of the measurement samples to be tested and to provide them to the sensors. (Gas sample’s conditioning system for optoelectronic sensors’ disease markers). Słowa kluczowe: optoelektroniczne sensory gazów, osuszanie nafionowe, kondycjonowanie próbek gazowych. Keywords: optoelectronic gas sensors, Nafion drying, gas sample conditioning. Wprowadzenie W ostatnich latach coraz bardziej zyskują na popularności badania nad urządzeniami umożliwiającymi bezinwazyjną ocenę stanu zdrowia pacjentów. Polegają one na analizie stężeń związków chemicznych charakterystycznych dla konkretnych chorób, zawartych w wydychanym przez człowieka powietrzu, tzw. biomarkerów. Jedną z metod ich wykrywania jest laserowa spektroskopia absorpcyjna. Detekcja markerów chorobowych przy[...]

W artykule omówiono celowość zastosowania sensora CO2 do wykrywania biomarkerów chorobowych w wydychanym powietrzu. Opracowana została procedura wydzielenia najbardziej interesującej do celów badawczych III fazy wydechu, oraz komunikacji z układem kondycjonowania próbek gazowych. Do realizacji zadania wykorzystano platformę programistyczną Arduino bazującą na mikrokontrolerze AVR. Abstract. This paper presents the concept and practice realisation of the CO2 sensor for detection of biomarkers in exhaled air. There had been developed procedure for determination and separation of the most interesting for research purposes phase III of exhalled breath and communication with gas sample conditioning system. For the realisation used Arduino software platform were used, based on AVR microcontroller. (Microprocessor-based CO2 sensor). Słowa kluczowe: sensory CO2, analiza wydychanego powietrza, markery chorobowe. Keywords: CO2 sensors, exhaled breath analysis, biomarkers. Wprowadzenie Jednym z rodzajów nieinwazyjnego badania markerów chorobowych jest metoda analizy wydychanego przez pacjenta powietrza. W wydychanym powietrzu oprócz związków organicznych w śladowych ilościach, znajdują się tzw. biomarkery - związki chemiczne, których wzrost stężenia może być charakterystyczny dla określonej choroby. Związki te powstają w wyniku procesów metabolicznych, zachodzących w komórkach organizmu, skąd przedostają się do krwi. Następnie trafiają one do płuc i powietrza znajdującego się w pęcherzykach płucnych. Dlatego możliwe jest ich wykrycie w wydychanym powietrzu [1]. Termin "biomarker" odnosi się do specyficznych substancji obecnych w wydechu pacjenta, których identyfikacja wymaga analiz wykraczających poza powszechne testy diagnostyczne używane m.in. w onkologii. Stan chorobowy może przyczyniać się do zmiany stężeń elementów składowych wydechu, które znajdują się w innym stężeniu w stosunku do stężeni[...]

  Powszechna potrzeba realizacji usług szerokopasmowych (np. transmisja obrazu wideo) wymusza wykorzystanie środków łączności będących w stanie, z odpowiednią jakością, ją zapewnić powodując zwiększenie zapotrzebowania na pasmo częstotliwości, które jest zasobem rzadkim i które przy obecnej polityce statycznego przydziału częstotliwości szybko doprowadzi do powstania jego deficytu. Jednym z głównych problemów, który staje przed środowiskami regulatorów i zarządców widma, jest optymalny dynamiczny przydział częstotliwości zapewniający korespondentom sieci radiowych realizację usług z określonym poziomem jakości. Nasycenie urządzeniami emitującymi fale radiowe narasta, powodując przeciążanie widma częstotliwości, a zatem zwiększenie poziomu zakłóceń. Ilustracją tego zjawiska może być prognoza wzrostu wykorzystania fragmentu widma przeznaczonego dla szerokopasmowych systemów mobilnych, opracowana przez narodowego regulatora USA (FCC - Federal Communications Commision), przewidująca w niedalekiej przyszłości wystąpienie znaczącego deficytu widma częstotliwości. Stosowane dotychczas statyczne metody zarządzania i użytkowania widma prowadzą do drastycznie niskiej efektywności jego wykorzystania. Na podstawie pomiarów przeprowadzonych w różnych częściach świata stwierdzono, że w zakresie częstotliwości poniżej 3 GHz średni poziom wykorzystania widma nie przekracza 10% [1]. Spostrzeżenia te stały się przyczyną podjęcia badań z jednej strony nad zwiększeniem efektywności wykorzystania widma poprzez stosowanie tzw. dynamicznego dostępu do niego (ang. Dynamic Spectrum Access - DSA). Innym sposobem rozwiązania tego problemu jest zastosowanie innych alternatywnych środków łączności bezprzewodowych niewymagających przydziału częstotliwości (pracujących w innym zakresie częstotliwości nieobjętym regulacjami zarządcy widma (Wojskowe Biuro Zarządzania Częstotliwościami). Takim sposobem może być np. zastosowanie bezprzewodowej łączności [...]

  W spektroskopii absorpcyjnej koncentrację badanego gazu lub gazów określa się na podstawie analizy widma zaabsorbowanego promieniowania optycznego. Konieczne jest wówczas dopasowanie długości fali promieniowania laserowego do maksymalnej wartości przekroju czynnego na absorpcję, a zatem do uzyskania optymalnych warunków pomiaru stężenia danej substancji. Czułość tych metod jest określona stosunkiem mocy sygnału do mocy szumów (SNR). Poprawę czułości można osiągnąć nie tylko poprzez odpowiedni dobór linii absorpcyjnych ale również wydłużenie drogi absorpcji promieniowania i optymalizację szumową układu detekcyjnego. W praktyce, zwiększenie drogi optycznej promieniowania uzyskuje się dzięki zastosowaniu np. komórek wieloprzejściowych. Dynamiczny postęp w optoelektronice jest ściśle skorelowany z rozwojem technologii laserów i fotodetektorów. Jednym z takich osiągnięć jest opracowanie kwantowych laserów kaskadowych emitujących promieniowanie w zakresie podczerwieni, który jest bardzo atrakcyjny dla wielu metod detekcji gazów. W Zespole Detekcji Sygnałów Optycznych IOE WAT prowadzone są badania dotyczące sensorów optoelektronicznych, które mogą znaleźć zastosowanie m.in. w detekcji materiałów wybuchowych, czy też biomarkerów zawartych w wydychanym przez człowieka powietrzu [1]. Ich zasada działania polega na zastosowaniu tzw. spektroskopii start we wnęce optycznej, gdzie istotne znaczenie ma dopasowanie i stabilność linii emisyjnej promieniowania laserowego do linii widmowej badanego gazu. Każde odstrojenie jest źródłem błędnych pomiarów. W laserach kaskadowych bardzo często długość fali promieniowania jest modulowana poprzez zmiany temperatury jego obszaru aktywnego. Zmiany te wynikać mogą zarówno z właściwości układu stabilizacji punktu pracy lasera, jak również od parametrów impulsów sterujących (głównie amplitudyi czasu trwania). Przykładowo, w chwili włączania jednomodowego lasera kaskadowego (z siatką Bragga - DFB), wartoś[...]

  Od kilku lat trwają w Polsce intensywne prace nad wykrywaniem w oddechu markerów chorobowych. Powietrze wydychane z płuc ludzkich jest mieszaniną azotu, tlenu, dwutlenku węgla, pary wodnej oraz śladowych ilości innych gazów, w tym przeszło 1000 lotnych związków organicznych (VCO) o stężeniu od kilku ppm do nawet setek ppt [1, 2]. Związki te mogą być wytwarzane przez organizm (związki endogenne), oraz przez niego absorbowane (związki egzogenne). Badanie związków endogenicznych może stanowić istotne źródło informacji o stanie zdrowia, natomiast związki egzogeniczne, o ile występują w niestandardowych stężeniach, mogą wskazywać na ewentualne stany wywołane zażywaniem lekarstw lub oddziaływaniem zanieczyszczonego środowiska. Obecność chorych komórek w organizmie ludzkim powoduje, wskutek odmiennego ich metabolizmu, zmiany stężenia poszczególnych składników wydychanego powietrza, tzw. biomarkerów. Biomarkerami mogą być również inne substancje lotne niespotykane zazwyczaj w oddechu człowieka zdrowego. Badania oddechu należą do najmniej inwazyjnych technik stosowanych w diagnostyce klinicznej, w procesie monitoringu stanu choroby, oraz w analizie oddziaływania środowiska na organizm. Do niedawna do analizy składników wydychanego powietrza stosowano głównie chromatografię gazową i spektometrię masową. Umożliwiają one wykrywanie gazów o bardzo małym stężeniu, nawet poniżej 1 ppb [3, 4]. Tego typu nowoczesne systemy są zazwyczaj bardzo drogie oraz trudne i kosztowne w eksploatacji, a badania są czasochłonne. Znane są także inne sensory do wykrywania gazów np. elektroniczne nosy, detektory chemiczne, elektrochemiczne, rezystancyjne, termometryczne, itp. Ich czułości są jednak w większości przypadków niewystarczające w aplikacjach medycznych. Wykrywanie markerów chorobowych jest również możliwe przy pomocy tresowanych psów [5]. Osiągnięcie czułości rzędu ppb i sub-ppb umożliwiają natomiast sensory optoelektroniczne wykorzystu[...]

  Spektroskopia strat we wnęce optycznej należy do jednych z najczulszych technik stosowanych do wykrywania gazów. Dużą czułość uzyskuje się przez zastosowanie wnęk optycznych zbudowanych ze zwierciadeł o ekstremalnie dużych współczynnikach odbicia. Układy tego typu umożliwiają wykrywanie śladowych ilości gazów. W artykule przedstawiono optoelektroniczny sensor tlenku węgla, który obok tlenków azotu oraz ditlenku siarki jest jednym z głównych zanieczyszczeń powietrza. Projekt sensora uwzględnia najnowsze krajowe osiągnięcia technologii optoelektronicznych, w tym kwantowe lasery kaskadowe oraz fotodetektory z supersieci drugiego rodzaju. Prace nad tymi urządzeniami były realizowane w ramach projektu EDEN, finansowanym przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, którego liderem jest Instytut Technologii Elektronicznych. Badania wstępne pokazały, że opracowany sensor tlenku węgla charakteryzuje się dużą liniowością charakterystyki czułości w zakresie stężeń od 10 ppb do 2,5 ppm. Słowa kluczowe: optoelektroniczny sensor tlenku węgla, spektroskopia absorpcyjna.Spektroskopia absorpcyjna jest techniką umożliwiającą identyfikację gazów oraz ich analizę ilościową. Jej idea pracy polega na analizie odziaływania promieniowania optycznego o określonej długości fali z cząsteczkami gazu. W najprostszym rozwiązaniu mierzona jest moc promieniowania transmitowanego przez próbkę gazu w funkcji długości fali (λ). Na tej podstawie oblicza się absorbancję (A(λ)) lub współczynnik absorpcji (α(λ)). Ze względu na fakt, że cząsteczki posiadają charakterystyczne widma absorpcyjne, można określić skład badanej próbki (analiza strukturalna). Natomiast znając ich przekroje czynne na absorpcję (σ(λ)), można wyznaczyć stężenie badanego gazu (analiza ilościowa). Obecnie w analizie strukturalnej gazów często stosuje się spektrofotometry wykorzystujące do wyznaczania absorbcji w funkcji długości fali transformatę Fouriera (FT-IR) [1]. Je[...]