Monitorização de índice de refração de gases utilizando sensores baseados em fibra ótica de cristal fotónico de núcleo oco

Abstract

Neste trabalho, são propostos sensores de fibra ótica baseados numa fibra de cristal fotónico com núcleo oco (HC-PCF) para a medição de índice de refração de gases. Os sensores, que operam em transmissão e têm comprimentos de cerca de 4 cm e 9 cm, apresentam propagação por antirressonância (AR). Primeiramente, foi desenvolvido um sensor com uma fusão entre uma secção de fibra ótica monomodo (SMF) e uma secção de HC-PCF. Na outra extremidade da HC-PCF, foi feito um alinhamento em espaço livre, para permitir o acesso do ambiente circundante ao núcleo oco da HC-PCF, alterando o seu índice de refração. Deste modo, a condição de ressonância é também alterada. O sensor foi caracterizado à pressão de gases e ao índice de refração apresentando valores de sensibilidade de (-3,8 ± 0,1) nm/MPa e (-1398 ± 34) nm/UIR, respetivamente. Este sensor também foi caracterizado num ambiente com acetona em fase gasosa e foi conseguida uma sensibilidade de (32 ± 2) nm/MPa. Em seguida, foi estudada uma estrutura fechada do sensor anterior, de modo a isolar o núcleo oco do exterior. Para esse fim, efetuou-se a fusão de uma secção de HC-PCF entre duas SMFs. Estudaram-se os espetros de transmissão do sensor e estimou-se a espessura do anel de sílica que rodeia o núcleo da HC-PCF, bem como a espessura da bainha. Avaliou-se também o efeito de inserir um tubo capilar (TC) de sílica na estrutura do sensor. Verificou-se que nesta configuração o sensor se torna insensível à pressão do meio externo, validando a necessidade de criar um canal de acesso ao interior do núcleo da HC-PCF. Por fim, foi proposta uma terceira estrutura, recorrendo à utilização de canais de acesso fabricados em TCs. Estes sensores foram caracterizados à pressão e ao índice de refração, apresentando uma sensibilidade de (4,2 ± 0,1) nm/MPa e (-1576 ± 43) nm/UIR, respetivamente. Ainda apresentaram uma sensibilidade de (-16 ± 1) nm/MPa, para a uma atmosfera de acetona, e (26 ± 1) pm/°C, para a medição à temperatura. A capacidade do sensor monitorizar a variação de índice de refração do meio gasoso ao longo do processo de evaporação de acetona também foi avaliada, tendo sido demonstrada com sucesso a prova-de-conceito.

In this work, optical fiber sensors based on hollow-core photonic crystal fiber (HC-PCF) are proposed for measuring the refractive index of gases. The sensors, which operate in transmission and have lengths of around 4 cm and 9 cm, feature antiresonance (AR) propagation. Firstly, a sensor was developed with a fusion between a section of single-mode optical fiber (SMF) and a section of HC-PCF. At the other end of the HC-PCF, a butt-coupling setup was made, to allow access from the surrounding environment to the hollow core of the HC-PCF, changing its refractive index. In this way, the resonance condition is also changed. The sensor was characterized using gas pressure and refractive index showing sensitivity values of (-3,8 ± 0,1) nm/MPa and (-1398 ± 34) nm/RIU, respectively. This sensor was also characterized in a gas phase acetone environment and a sensitivity of (32 ± 2) nm/MPa was achieved. Next, a closed structure of the previous sensor was studied, in order to isolate the hollow core from the environment. For this purpose, an HC-PCF section was fused between two SMFs. The transmission spectra of the sensor were studied and the thickness of the silica ring surrounding the HC-PCF core, as well as the thickness of the cladding were estimated. The effect of inserting a silica capillary tube (TC) into the sensor structure was also evaluated. It was found that in this configuration the sensor becomes insensitive to the pressure of the external environment, validating the need to create an access channel to the interior of the HC-PCF core. Finally, a third structure was proposed, using access channels manufactured in TCs. These sensors were characterized for pressure and refractive index, showing a sensitivity of (4,2 ± 0,1) nm/MPa and (-1576 ± 43) nm/UIR, respectively. They also showed a sensitivity of (-16 ± 1) nm/MPa, for an acetone atmosphere, and (26 ± 1) pm/°C, for temperature measurement. The sensor's ability to monitor the variation in the refractive index of the gaseous medium throughout the acetone evaporation process was also evaluated, and the proof-of-concept was successfully demonstrated.