Development and optimization of optical fibre sensors produced by a femtosecond laser

Abstract

In this work, optical fibre sensors were developed and optimized using a pulsed femtosecond laser. In addition to the inherent advantages of using femtosecond pulses, by emitting radiation in the NIR band, it was possible to modify the refractive index inside dielectric materials, namely silica and polymer optical fibres. Prior to the manufacturing of optical structures, a theoretical study was carried out on the peculiarities of writing-systems based on femtosecond lasers, as well as on the most common devices inscribed in optical fibres, namely Bragg gratings, long period gratings, and Fabry-Pérot interferometers. After assembling femtosecond NIR laser system, Bragg gratings, long period gratings, Fabry-Pérot interferometers, and interferometers based on the optical Vernier effect were manufactured using the direct-writing and phase mask methods. Using the micromachining setup, different structures were created in already existing optical fibre sensors, namely channels in hollow Fabry-Pérot cavities and laser etching around Bragg gratings inscribed in polymers optical fibres. The spectral responses of all devices were extensively characterized to, mainly, variations of temperature and strain, revealing unique sensitivity values, especially for the interferometers based on the optical Vernier effect (> 1 nm/°C and 0.1 nm/µε for temperature and strain, respectively). To demystify the thermal stability of fibre Bragg gratings, a theoretical and experimental study was carried out where several Bragg gratings were inscribed by different techniques, involving different lasers as well as silica and polymer optical fibres. The experimental results corroborated the theoretical predictions, where it was concluded that the gratings inscribed by the point-to-point method using a femtosecond laser have a greater thermal stability and lifetime, even when subjected to longer and higher temperature regimes. Finally, a bridge was stablished between the fundamental research developed during the manufacture of the elementary optical fibre sensors, and possible applications. Five different sensor concepts were demonstrated and tested, capable of detecting variations in magnetic fields, fluids refractive index, temperature, strain and humidity. As results, astonishing sensitivity values were attained, and several cross-sensitivity problems were mitigated, thus establishing the foundations for the development of new prototypes for the future.

Neste trabalho foram desenvolvidos e otimizados sensores em fibra ótica através de um laser pulsado de femtosegundo. Para além das vantagens inerentes de usar pulsos da ordem do femtosegundo, ao emitir radiação na banda do infravermelho foi possível modificar o índice de refração no interior de materiais dielétricos, nomeadamente fibras óticas de sílica e polímero. Antes de proceder ao fabrico das estruturas óticas, foi realizado um estudo teórico sobre as peculiaridades dos sistemas de escrita baseados em lasers de femtosegundo, bem como sobre os principais dispositivos inscritos em fibra ótica, nomeadamente redes de Bragg, redes de período longo, e interferómetros de Fabry-Pérot. Após montado o sistema laser NIR de femtosegundo, através de inscrição direta e por máscara de fase foram fabricadas redes de Bragg, redes de período longo, interferómetros de Fabry-Pérot, e interferómetros baseados no efeito ótico de Vernier. Com a montagem de micromaquinação, diferentes estruturas foram criadas em sensores já existentes, nomeadamente buracos em cavidades Fabry-Pérot e remoção de material ao redor de redes de Bragg. As respostas espetrais de todos os dispositivos foram extensivamente caracterizadas, nomeadamente a variações de temperatura e tensão, revelando elevados valores de sensibilidades, especialmente para os interferómetros baseados no efeito ótico de Vernier (> 1 nm/°C e 0.1 nm/µε para temeprature e tensão, respetivamente). Para desmistificar a estabilidade térmica de redes de Bragg em fibra ótica, foi feito um estudo teórico e experimental onde várias redes de Bragg foram gravadas por diferentes técnicas, envolvendo diferentes lasers e fibras óticas de sílica e polímero. Os resultados experimentais corroboraram as previsões teóricas, onde se concluiu que as redes gravadas pelo método de ponto-a-ponto usando um laser de femtosegundo detêm uma maior estabilidade térmica e tempo de vida, mesmo quando submetidas a regimes longos de altas temperaturas. Por fim, foi feita a ponte entre a investigação fundamental desenvolvida durante o fabrico de dispositivos elementares em fibras óticas e possíveis aplicações. Foram demonstrados e testados cinco conceitos diferentes de sensores, capazes de detetar variações de campos magnéticos, índice de refração de fluídos, temperatura, tensão e humidade. Foram atingidos valores de sensibilidade surpreendentes, bem como mitigados problemas de sensibilidade cruzada, tendo sido assim estabelecidas as fundações para o desenvolvimento de novos protótipos para o futuro.