[pt] Esta tese trata do desenvolvimento de sensores para a monitoração do fluxo de campo magnético utilizando fibras ópticas. A principal motivação reside no uso destes sensores no control da condição de hidrogeradores. Duas tecnologias de sensoriamento com fibras ópticas são exploradas. A primeira baseia-se no uso de redes de Bragg e a segunda no emprego de interferômetros modais em fibras ópticas microestruturadas que apresentam alta birefringência. Em ambos os casos as fibras são recobertas por uma camada de material compósito magnetoestrictivo, que responde ao campo magnético deformando-se. Esta deformação é transferida para a rede de Bragg ou para a fibra microestruturada, produzindo uma resposta dependente do campo magnético. Os sensores desenvolvidos são leves e compactos. O sensor baseado em redes de Bragg, de formato cilíndrico com 1,5 mm de diâmetro e 7 mm de comprimento, passou por testes estáticos em campos magnéticos de até 750 mT tendo apresentado uma resolução de 0,3 mT. Testes dinâmicos foram realizados em um rotor de bancada desbalanceado e os resultados obtidos comparados com os fornecidos por um sensor magnético de efeito Hall mostrando excelente concordância. O sensor a fibra óptica interferométrico foi caracterizado estaticamente, tendo apresentado uma sensibilidade ao campo magnético duas vezes superior à do sensor baseado em redes de Bragg. / [en] This work explores the use of optical fiber sensors for the measurement of magnetic fields. In focus are applications in the condition monitoring of hydrogenerators, in particular for the measurement of the air gap, which consists in the space between rotor and stator of the synchronous machine. Two different fiber optic sensing principles were employed to develop magnetic field sensors. The first was based on fiber Bragg gratings and the second on an in-fiber modal interferometer, where the two orthogonally polarized modes of a high birefringent microstructured fiber generate fringes over the optical spectrum of a broad band source. In both cases, the fibers are coated by a thick layer of a magnetostrictive composite that deforms due to changes in its magnetization state. Strains in the coating are transferred to the fiber and measured by the sensor. The developed sensors are light and compact. The Bragg grating magnetic field sensor is cylindrical in shape with diameter of 1.5 mm and 7 mm long. The sensor was tested at magnetic fields of up to 750 mT under static conditions. The resolution achieved with a commercial interrogator was estimated at 0.4 mT. Dynamic tests were carried out in a laboratory rotor that presented a magnetic unbalance of approximately 7 percent in one of its four poles. Results were compared with a Hall Effect sensor showing excellent agreement. The interferometric sensor was characterized and results of static tests demonstrated that its sensibility to changes in the magnetic field is twice that of the sensor based on Bragg gratings.

[pt] Nessa tese é analisada a dinâmica dos modos de lasers aleatórios à fibra com feedback distribuído. Um rigoroso estudo é feito sobre o mecanismo de feedback distribuído, i.e., o espalhamento Rayleigh, que é um dos principais elementos contribuindo para emissão laser. É desenvolvido um modelo teórico para previsão do retro espalhamento Rayleigh de luz coerente, o qual é baseado na ordem de médio alcance da sílica, e na tensão residual de fibras ópticas. As previsões do modelo são comparadas com resultados experimentais, levando a conclusão de que o retro espalhamento Rayleigh em fibras ópticas é um processo ergódigo nos domínios do tempo e da frequência óptica. O modelo mostrou-se eficaz na previsão das flutuações de intensidade do retro espalhamento Rayleigh de luz coerente, e foi utilizado para explicar a emissão de luz laser numa nova configuração de laser aleatório à fibra, que faz uso de um amplificador óptico a semicondutor (SOA) como meio de ganho. É demostrado que operação monomodo só é possível em emissão pulsada e com bombeio próximo ao limiar laser, enquanto operação multimodo é dominante para bombeio acima do limiar. Resultados experimentais indicam que potência dos modos é limitada pela competição entre modos por ganho. A operação em regime pulsado é atribuída a um efeito de cintilação da luz Rayleigh retro espalhada, que equivale a um fenômeno de chaveamento de perdas (Q-switching) aleatório na cavidade. O tempo de vida dos modos é ~ 1 ms e larguras de linha estreitas, no intervalo entre 4 e 7 kHz, foram obtidas experimentalmente. Lasers aleatórios à fibra com ganho Brillouin também foram analisados, mostrando semelhante dinâmica dos modos. Entretanto, por conta da estreita banda espectral do ganho Brillouin a competição entre modos não limitou a potência dos modos, a qual foi observada ser limitada por luz Stokes proveniente do espalhamento Brillouin de segunda ordem. Por último, experimentos com modulação de fase intra-cavidade foram avaliados, e mostraram que emissão laser pode ser controlada a partir da supressão da condição de fase ou ganho. / [en] In this thesis, it is provided a thorough analysis of mode dynamics of random distributed feedback fiber lasers. A rigorous investigation is proposed for the feedback mechanism, Rayleigh backscattering, which plays a key role in laser action. Based on the intermediate range order of silica glasses, and on residual stress of optical fibers, a theoretical model was built to predict intensity fluctuations of Rayleigh backscattered coherent light. Model predictions were compared to experimental results, strongly supporting the conclusion that Rayleigh backscattering in single mode fibers is an ergodic process exhibiting ergodicity in the time-frequency sense so that the model can be used to predict the statistical behavior of backscattered intensity fading. The model was used to explain laser action in a novel configuration of random fiber laser, with a semiconductor optical amplifier (SOA) employed as the gain medium. It is here demonstrated that single-mode operation is only possible in pulsed regime at SOA driving currents close to the threshold, whereas multimode regime dominates under higher currents. Experimental results indicate that the mode power is limited by mode competition, which is observed under high SOA currents. Pulsed regime is shown to be due to randomly driven Q-switching induced by a scintillation effect in the Rayleigh backscattered light, which effectively translates as a time-varying cavity loss. Mode lifetimes of ∼1 ms and narrow linewidths ranging from 4 to 7 kHz were experimentally obtained. Brillouin-based random fiber lasers were also analyzed, showing similar mode dynamics, but due to the much narrower gain spectral width, mode competition did not limit the mode power, which was rather limited by the second order Brillouin-Stokes light. Last, intra-cavity phase-modulation experiments showed that laser action can be efficiently controlled by breaking either phase or gain conditions.