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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/28629| Título: | Aplicações e modelagem da resposta ao índice de refração de redes de Bragg em fibras corroídas |
| Título(s) alternativo(s): | Applications and modeling of the refractive index response of Bragg gratings in etched optical fibers |
| Autor(es): | Kuhne, Jean Filipe |
| Orientador(es): | Kamikawachi, Ricardo Canute |
| Palavras-chave: | Fibras ópticas Refração - Medição Sensores Modelagem Polímeros Análise numérica Optical fibers Refraction - Measurement Sensors Modelyng Polymers Numerical analysis |
| Data do documento: | 21-Fev-2022 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Curitiba |
| Citação: | KUHNE, Jean Filipe. Aplicações e modelagem da resposta ao índice de refração de redes de Bragg em fibras corroídas . 2022. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2022. |
| Resumo: | Esta tese, estruturada no formato coletânea de artigos científicos, aborda os efeitos da interação do modo propagante de núcleo com o meio externo, em redes de Bragg inscritas em fibras óticas, obtida pela redução da casca sobre a região da rede de Bragg (FBG) utilizando a técnica de corrosão química. Esta interação modula o sinal refletido pela FBG, o que permite a percepção do índice de refração do meio em que se encontra. A monitoração dessa grandeza é de grande interesse pois está associada à presença, concentração ou pureza da substância de interesse. Os artigos apresentados abordam: a resposta oferecida e a modelagem do emprego de redes de Bragg em fibra ótica monomodo perfil degrau e fibra ótica multimodo perfil gradual, mostrando sua aplicação para determinar o grau de pureza de amostras de biodiesel; modelos para estimar a curva de resposta de uma rede de Bragg corroída (EFBG); e a birrefringência induzida em uma EFBG recoberta com filme orgânico para detecção de amônia. O primeiro trabalho evidencia a dependência existente entre o diâmetro modal do campo (MFD) do modo propagante e a sensibilidade da fibra ao meio externo, o que permite que fibras multimodo apresentem maior sensibilidade em função do seu maior MFD. Maiores MFD implicam em menor corrosão da fibra sobre a região da rede, resultando em maior robustez mecânica do sensor quando comparado à fibra monomodo. Também foi verificado que o uso de fibra multimodo permite o aumento da faixa dinâmica de índice de refração para 1,476, o que é útil para medição de substâncias que apresentam maior índice de refração e que não são detectáveis com fibras óticas monomodo, cujo limite é 1,456. O nível de pureza do biodiesel foi verificado como exemplo de aplicação, permitindo determinar sua concentração até a presença de 70% em volume de óleo vegetal no combustível. O segundo trabalho utiliza duas abordagens para apresentar um modelo matemático para descrever a curva de resposta de uma FBG Corroída (EFBG), à partir de uma curva de calibração de referência de outra EFBG. A abordagem por extrapolação, que usa o deslocamento espectral verificado durante a corrosão, torna-se de mais simples aplicação por demandar apenas de um valor do índice de refração do meio externo. Já a abordagem por interpolação, de maior complexidade, apresenta maior acurácia aos resultados experimentais. Os modelos foram aplicados para índices de refração na faixa de 1,333 a 1,458, para sensores na faixa de 1.544,84 nm a 1.552,70 nm. O maior desvio verificado entre os valores estimados e experimentais foram de 0,26 nm e 0,41 nm, para a interpolação e extrapolação, respectivamente. Os modelos matemáticos propostos se demonstraram capazes de estimar com sucesso a curva de resposta das EFBGs de diferentes diâmetros, ferramenta útil para estimar a sensibilidade do sensor antes da sua produção. O terceiro trabalho relata o efeito da birrefringência após a deposição de um filme orgânico sobre a EFBG para medição de amônia. O filme, resultante da solução de derivado do perileno e do copolímero PCDTBT em clorobenzeno, induziu uma separação no picos refletido da EFBG, que permitiu a detecção da presença de amônia na faixa de 3 ppm até 41.700 ppm. Os picos observados apresentaram diferentes sensibilidades, apresentando potencial para medição multi parâmetros. |
| Abstract: | This thesis, structured in the format of a collection of scientific articles, addresses the effects of the interaction of the fiber core propagating mode with the external environment in etched Bragg gratings inscribed in optical fibers. Such interaction modulates the fiber Bragg grating (FBG) reflected signal, allowing the perception of the surrounding refractive index. The measurement of this parameter is of great interest because it is associated with the presence, concentration or purity of the substance under investigation. The presented articles address: the modeling and the response of a step index single-mode FBG and of a graded index multi-mode FBG, showing their application to evaluate purity degree of biodiesel samples; models to estimate the response curve of an etched fiber Bragg grating (EFBG); and the birefringence induced over an EFBG coated with an organic film for ammonia detection. The first paper evidences the dependence between the modal field diameter (MFD) of the propagating core mode and the fiber’s sensitivity to the external environment. The greater sensitivity verified in multimode fibers is due to their higher MFD. Higher MFDs imply in smaller fiber reductions over FBG region, implying in an greater mechanical robustness of the sensor when compared to single-mode fiber. It was also verified that the use of multimode fiber allows an increase in the refractive index dynamic range, from 1.456 to 1.476, when compared to single mode fibers. The higher span allows the measurement of substances that have a higher refractive index, typically not detectable by single mode FBG. The biodiesel purity was verified as an application example, allowing to determine its concentration up to the presence of 70% of vegetable oil in the fuel by volume. The second paper brings two different approaches to present a mathematical model that describes the curve response an EFBG, from a reference calibration curve. The extrapolation approach, which uses the spectral shift verified in the etching process, is of simple application and requires only the refractive index of the external environment. The interpolation approach, which is more complex, presents greater accuracy to the experimental results. The models were applied for refractive indexes ranging from 1.333 to 1.458, for sensors operation from 1544.84 nm to 1552.70 nm range. The largest deviations found between the estimated and experimental values were 0.26 nm and 0.41 nm, for interpolation and extrapolation, respectively. The proposed mathematical models were able to successfully estimate the curve response of different EFBGs diameters, showing up to be a useful tool to estimate the sensor´s sensitivity before its production. The third paper reports the birefringence effect verified after the deposition of an organic film over an EFBG for ammonia detection. The film, resulted from the deposition of a perylene derivative and the PCDTBT copolymer solution in chlorobenzene, induced a separation of the EFBG reflected peaks, which allowed ammonia detection in the range from 3 ppm to 41,700 ppm. The observed peaks presented different sensitivities, indicating the potential for multi-parameter measurement. |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/28629 |
| Aparece nas coleções: | CT - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial |
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