Sensores de fibra ótica baseados no efeito de Vernier ótico

Abstract

Nesta dissertação é estudado e aplicado o efeito de Vernier ótico como ferramenta de magnificação da sensibilidade de sensores de fibra ótica baseados em interferómetros de Fabry-Perot. Primeiramente é apresentada a base teórica por detrás do padrão de interferometria resultante da propagação de um sinal ótico em interferómetros de Fabry-Perot em fibra ótica. A teoria descrita para interferómetros de Fabry-Perot é estendida ao caso em que se aplica o efeito de Vernier ótico. Realiza-se um estudo teórico-prático que incide sobre os parâmetros de fabrico de interferómetros de Fabry-Perot para um melhor entendimento das limitações práticas que advêm da aplicação do efeito de Vernier ótico. Depois de apresentada a base teórica, procedeu-se ao fabrico de interferómetros de Fabry-Perot recorrendo a métodos económicos, nomeadamente, acoplamento com adesivos óticos, aproveitamento de fibras danificadas por efeito fusível e um novo conceito de microcavidades virtuais. Os interferómetros produzidos por acoplamento com adesivos óticos e aproveitamento de fibras danificadas por efeito fusível foram utilizados para obter três sensores de humidade relativa e temperatura baseados no efeito de Vernier ótico. De entre os três sensores desenvolvidos, obtiveram-se sensibilidades máximas de -2,4±0,2 nm/%HR e -2,69±0,09 nm/℃ para a humidade relativa e temperatura, respetivamente, valores relativamente elevados para este tipo de sensores. Um interferómetro de Fabry-Perot fabricado através do aproveitamento de fibras danificadas por efeito fusível, foi utilizado para magnificar a sensibilidade de duas células de carga, tendo-se obtido magnificações de sensibilidade superiores a 3,4. Um novo conceito de microcavidades virtuais foi demonstrado e empregue para realizar um interferómetro de Fabry-Perot virtual, capaz de gerar o efeito de Vernier ótico e magnificar sensibilidade de um espirómetro para monitorização dinâmica. As grandes vantagens deste método, em relação a outros, são a redução dos custos de fabrico e implementação, versatilidade e o aumento da magnificação sem acréscimo de ruído. O facto de não aumentar o ruído facilita a visualização dos ciclos de respiração e a análise por parte da entidade competente. Por fim, o trabalho realizado pretendeu estabelecer um levantamento sobre o atual ponto de situação de sensores baseados no efeito de Vernier ótico, tentando-se apresentar soluções viáveis e promissoras que melhorem os sistemas atualmente existentes, reduzindo ao máximo os custos de implementação e fabrico sem deteriorar a performance.

On this dissertation, the optical Vernier effect is studied and applied as a magnification tool to improve the sensitivity of fiber optic sensors based on Fabry-Perot interferometers. First, a theoretical background is presented, explaining the interference spectrum resulting from the propagation of an optical signal in Fabry-Perot interferometers. The theory used to describe this phenomenon in Fabry-Perot interferometers is extended to the optical Vernier effect. A study is realized concerning the fabrication parameters of Fabry-Perot interferometers for a better understanding of the practical limitations that come with applying the optical Vernier effect. After the theoretical background, the next step concerned the fabrication of Fabry-Perot interferometers using cost-effective methods, namely, coupling with optical adhesives, reuse of optical fibers damaged by fuse effect, and a new concept of virtual microcavities. The interferometers produced by optical adhesive coupling and reuse of the fiber fuse effect were implemented to achieve three relative humidity and temperature sensors based on the optical Vernier effect. Between the three developed sensors, the maximum sensitivity values correspond to -2,4±0,2 nm/%RH and -2,69±0,09 nm/℃, respectively, which are considered high values for this type of sensors. A Fabry-Perot interferometer, fabricated using optical fibers damaged by fuse effect, was used to magnify the sensitivity of two already existent load cells, attaining sensitivity magnifications higher than 3,4. A new concept of virtual microcavities was used to make a virtual Fabry-Perot interferometer, capable of generating the optical Vernier effect and magnifying the sensitivity of a spirometer based on dynamic monitorization. The great advantages of this method when compared to the typical ones are the reduced costs of sensor fabrication and implementation, versatility, and the applied magnification without amplifying the noise. The non-amplification of noise eases the visualization of the respiratory cycles and further analysis by competent personnel. In summary, the work done intended to establish a mapping about the current situation of optical Vernier effect-based sensors, where feasible and promising solutions are presented, the focus being the cost reduction of the systems, while maintaining high performances.