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Título: Redes de Bragg em fibras óticas nas bandas do visível e infravermelho
Título(s) alternativo(s): Fiber Bragg gratings in optical fibers in the visible and infrared bands
Autor(es): Moura, Camila Carvalho de
Orientador(es): Oliveira, Valmir de
Palavras-chave: Redes de Bragg
Fibras ópticas - Tratamento térmico
Detectores ópticos
Fibras ópticas
Deformações (Mecânica) - Medição
Radiação infravermelha
Espectroscopia óptica
Bragg gratings
Optical fibers - Heat treatment
Fiber optic sensors
Optical fibers
Deformations (Mechanics) - Measurement
Infrared radiation
Optical spectroscopy
Data do documento: 18-Fev-2026
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: MOURA, Camila Carvalho de. Redes de Bragg em fibras óticas nas bandas do visível e infravermelho. 2026. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2026.
Resumo: Esta tese apresenta a produção, o tratamento térmico e a caracterização abrangente de sensores óticos baseados em redes de Bragg em fibra ótica (FBG), fabricados tanto em fibras óticas padrão quanto em fibras óticas afinadas, com operação nas bandas espectrais do infravermelho (IR) e do visível (VIS). O trabalho concentra-se no desenvolvimento de FBGs convencionais e de redes de Bragg regeneradas (RFBGs), com o objetivo de avaliar suas sensibilidades térmica e à deformação, estabilidade em altas temperaturas e potencial de aplicação em ambientes severos. Inicialmente, redes de Bragg saturadas (redes sementes) foram gravadas em fibras óticas monomodo padrão por meio de irradiação ultravioleta utilizando laser excímero e técnica de máscara de fase, com operação na região do infravermelho em torno de 1550 nm. Essas redes foram caracterizadas termicamente e, posteriormente, submetidas a tratamentos térmicos controlados, com temperaturas próximas de 1000 °C, visando à obtenção do processo de regeneração. A evolução espectral durante o aquecimento foi monitorada em tempo real, permitindo a análise do apagamento da rede semente, do recrescimento das RFBGs, do deslocamento do comprimento de onda de Bragg e da estabilidade do sinal refletido. As redes regeneradas apresentaram maior robustez espectral e elevada resistência térmica quando comparadas às FBGs convencionais. Em paralelo, redes de Bragg operando na banda do visível foram produzidas em fibras óticas fotossensíveis e caracterizadas quanto à resposta térmica. Foram investigados os coeficientes de sensibilidade, o comportamento espectral e a viabilidade do processo de regeneração, possibilitando uma comparação direta com as FBGs na banda do infravermelho. Os resultados evidenciam diferenças intrínsecas entre sensores IR e VIS, especialmente no que se refere à sensibilidade térmica, ao processo de fabricação e ao custo dos sistemas de interrogaçmo, destacando o potencial das FBGs VIS para aplicações de baixo custo. Adicionalmente, foram produzidas fibras óticas afinadas com diâmetros variando entre 30 µm e 125 µm, nas quais redes de Bragg foram gravadas na região de diâmetro uniforme. Esses sensores foram caracterizados em termos de temperatura e deformação axial. A influência da redução do diâmetro da fibra sobre o índice de refração efetivo, o comprimento de onda de Bragg e os coeficientes de sensibilidade foi analisada de forma sistemática. Os resultados demonstram um aumento significativo da sensibilidade à deformação com a diminuição do diâmetro da fibra, confirmando a aplicabilidade das FBGs em fibras afinadas para medições de alta resolução. De forma geral, esta tese apresenta uma análise comparativa detalhada de sensores baseados em redes de Bragg operando em diferentes bandas espectrais e geometrias de fibra. Os resultados contribuem para o entendimento dos mecanismos de regeneração térmica, da otimização de sensibilidade e da aplicação prática de sensores em fibra ótica para monitoramento de altas temperaturas e de deformações em ambientes industriais e automotivos.
Abstract: This thesis presents the production, thermal treatment, and comprehensive characterization of fiber Bragg grating (FBG)-based optical sensors fabricated in standard optical fibers and tapered optical fibers, operating in both the infrared (IR) and visible (VIS) spectral bands. The study focuses on the development of conventional FBGs and regenerated fiber Bragg gratings (RFBGs), aiming to evaluate their thermal and strain sensitivities, long-term stability, and suitability for high-temperature and high-deformation sensing applications. Initially, saturated seed FBGs were inscribed in standard single-mode optical fibers using ultraviolet excimer laser irradiation and phase-mask techniques, targeting operation in the infrared region around 1550 nm. These gratings were thermally characterized and subsequently subjected to controlled high-temperature treatments, reaching temperatures close to 1000 °C, in order to promote the regeneration process. The evolution of the spectral response during thermal annealing was monitored in real time, enabling the analysis of grating degradation, regeneration dynamics, wavelength shift, and reflected signal stability. The resulting regenerated Bragg gratings demonstrated enhanced thermal endurance and spectral robustness when compared to conventional FBGs. In parallel, FBGs operating in the visible spectral band were fabricated in photosensitive optical fibers and characterized under thermal loading. Their spectral behavior, sensitivity coefficients, and regeneration feasibility were investigated and compared to those obtained for infrared gratings. The results highlight the intrinsic differences between IR and VIS FBGs, particularly regarding thermal sensitivity, fabrication complexity, and interrogation system cost, reinforcing the potential of visible-band FBGs for low-cost sensing solutions. Additionally, this work explores the fabrication of tapered optical fibers with diameters ranging from 30 µm to 125 µm and the inscription of FBGs within their uniform waist regions. These tapered FBG sensors were experimentally characterized in terms of temperature and axial strain. The influence of fiber diameter reduction on the effective refractive index, Bragg wavelength, and sensitivity coefficients was systematically analyzed. The results demonstrate a significant enhancement in strain sensitivity as the fiber diameter decreases, confirming the suitability of tapered FBGs for applications requiring high deformation resolution. Overall, this thesis provides a detailed comparative analysis of FBG-based sensors operating in different spectral bands and fiber geometries. The findings contribute to the understanding of thermal regeneration mechanisms, sensitivity optimization, and practical implementation of optical fiber sensors for harsh environments, including high-temperature monitoring and structural health sensing in industrial and automotive applications.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/39946
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