[pt] Neste trabalho, descreve-se a geração de pulsos ópticos curtos com diferentes taxas de repetição, para aplicações em sistemas de transmissão de sólitons. Para isto foi desenvolvido um laser a fibra em anel operando na terceira janela de comunicações ópticas (em 1.55 mm), capaz de gerar pulsos curtos, utilizando a técnica de mode-locking ativo. Na configuração empregada o modulador de Mach- Zehnder, normalmente usado, foi substituído por um laser DFB, funcionando como modulador de intensidade e, ao mesmo tempo, como filtro óptico sintonizável. O laser semicondutor tem seu ganho chaveado através de modulação direta, levando a cavidade e operar no regime de mode- locking harmônico. Uma sintonia contínua de comprimentos de onda pode ser obtida, simplesmente, variando-se a temperatura do diodo laser. Foram analisados aspectos como estabilidade, duração e pureza espectral dos pulsos ópticos emitidos por essa fonte, bem como sua faixa de sintonia de comprimentos de onda e possíveis taxas de repetição. Os pulsos ópticos gerados foram transmitidos através de enlaces ópticos com fibra óptica convencional, comprovando-se a propagação de sólitons. / [en] In this dissertation, it is depicted short optical pulses generation with different repetition rates, for soliton based transmission systems applications. In order to accomplish that, a fiber laser operating at the third window of the optical communication (1.55 um) was developed, capable of generate short pulses, through the active mode-locking technique. Within the current configuration, the Mach-Zehnder modulator, usually employed, was replaced by a DFB laser, running as both an intensity modulator and tunable optical filter. The semiconductor laser was gain switched through direct modulation, leading the cavity to operate on harmonic mode- locking scheme. A continuous wavelength tuning could be achieved by changing the temperature of the diode laser. Several aspects were analyzed, such as stability, duration and spectral purity of the optical pulses generated by this source. The wavelength tuning range and its possible repetition rates were also investigated. The optical pulses were transmitted through standard optical fiber links, demonstrating the propagation of solitons.

[pt] Neste trabalho descreve-se a geração de pulsos ópticos curtos estáveis, com durações na faixa de alguns psicossegundos, e diversas taxas de repetição. Para isto foi construído um laser a fibra dopada com érbio, na configuração em anel e operando nos regimes de mode- locking ativo harmônico e racional (MLEFL). As características temporal e espectral dos pulsos são estudadas. Os pulsos de saída apresentam potência de pico elevada e são limitados pela transformada, ou seja, na forma de sólitons. Esses pulsos são extremamente adequados para sistemas de comunicações solitônicos. Os lasers a fibra dopada com érbio operando no regime de mode-locking ativo (MLEFL), têm-se mostrado como um dos candidatos mais promissores para os sistemas solitônicos. Isto se deve ao fato desses dispositivos além de produzirem pulsos ultracurtos e com as características necessárias a esses sistemas, eles apresentam alta potência de saída e possibilitam a variação da taxa de repetição. Para a montagem desses lasers de forma razoavelmente compacta são utilizados componentes ópticos, tais como controladores de polarização, filtros e moduladores, em versões integradas (pigtailed) e já disponíveis comercialmente. / [en] This work describes a simple and stable harmonically mode- locked erbium-doped fiber ring laser, that produces high power, ~ 1 ps transform-limited sech optical pulses. Pulse trains with different high repetition rates were obtained using harmonic mode-locking and rational harmonic mode- locking techniques. The temporal and spectral characteristics of the pulses are studied. The pulses are extremely appropriate for soliton based systems communications. Actively mode-locked erbium doped fiber ring lasers (MLEFL), have attracted much attention and are one of most promising candidates for soliton systems. This is due to some characteristics which are very convenient for high capacity optical systems: they can produce very short transform limited optical pulses at gigahertz rates. Such lasers also present high output powers, long term stability and can be easily tuned to operate in a wide region of wavelengths.

[pt] Neste trabalho, desenvolvemos um laser a fibra, monomodo e de cavidades acopladas, cujo meio de ganho é uma Fibra Dopada com Érbio. As duas cavidades, C1 e C2, foram feitas no mesmo pedaço de fibra dopada, com a mesma concentração de Érbio (Er) e mesmo índice de refração. A Fibra Dopada com Érbio usada era também dopada com Germânio (Ge), que aumenta a fotossensitividade da fibra. Portanto, foi possível escrever Redes de Bragg na mesma fibra para serem usadas como os espelhos da cavidade. A configuração do laser consiste em três Redes de Bragg, escritas no mesmo núcleo da fibra, centradas em 1532nm e separadas por 30cm. As reflectividades das Redes de Bragg eram de 95 por cento, 80 por cento e 60 por cento. Com essa configuração simples de cavidades acopladas, conseguimos uma emissão laser estável e monomodo. Será apresentado também um estudo teórico para descrever o sistema. / [en] In this work, we developed a single mode coupled cavity fiber laser, in which the gain medium is an Erbium Doped Fiber. The two cavities, C1 and C2, were made in the same piece of the doped fiber, with the same concentration of Erbium (Er) and the same refraction index. The Erbium Doped Fiber used was codoped with Germanium (Ge), which increases the photosensitivity of the fiber. Therefore, it was possible to write bragg Gratings in the same fiber to be used as the cavity mirrors. The laser configuration consists of three Bragg Gratings, written in the core of the fiber, centered in 1532 nm and separated by 30cm. Ther Bragg Grating reflectivities were 95 per cent, 80 per cent and 60 per cent. With this simple configuration of coupled cavities, a stable, single mode laser emission was achieved. A theoretical study to describe the system will also be presented.

[pt] Esta dissertação faz parte de um projeto mais abrangente que visa caracterizar os parâmetros ideais para perfuração e corte a laser em rochas, metais e cimentos tipicamente utilizados na indústria do petróleo. Este trabalho teve por objetivo de caracterizar cortes a laser em placas de aço. Procurou-se correlacionar a morfologia do corte e a formação de rebarbas com parâmetros operacionais, tais como densidade de potência e posição do ponto focal. O estudo foi desenvolvido para o aço SAE 1020 com e sem anteparo rochoso (Travertino). Foram avaliadas também as mudanças na microestrutura de regiões adjacentes do aço duplex 2205 para diferentes faixas de densidade de potência. Finalmente, avaliou-se também o uso do laser no corte do aço inox submerso em água. Conclui-se que existe uma formação de rebarba, que aumenta conforme a densidade de potência diminui. Por outro lado, quanto maior a densidade de potência, maior é a extensão da mudança na microestrutura do aço. O corte de aço com anteparo rochoso abre novas perspectivas para o desenvolvimento de uma ferramenta baseada em laser de alta potência para completação de poços na indústria do petróleo. / [en] This work is part of a larger project that aims to characterize the optimal parameters for laser cutting and drilling into rocks, metals and cement typically used in the oil industry. This study had as objective to characterize laser cuts in steel plates. An attempt to establish a correlation between the morphology of the cut and the burrs with operating parameters such as power density and position of the focal point. The study was developed for the SAE 1020 steel with and without rocky bulkhead (Travertine). Also, the changes in the microstructure of adjacent regions of duplex steel in 2205 for different ranges of power density were assessed and finally it was evaluated the use of laser cutting of stainless steel submerged in water. It follows that there is a burr formation, which increases as the power density decreases. On the other hand, the higher the power density, the greater is the extent of change in the steel microstructure. Cutting steel with rocky bulkhead opens new perspectives for the tool development with high power laser for well completion in the oil industry tool.

[pt] Um dos maiores desafios na perfuração das rochas carbonáticas, situadas a grandes profundidades, é superar as baixas taxas de penetração que vem sendo obtidas na perfuração de poços verticais e direcionais. Para vencer este desafio, um grande esforço vem sendo desenvolvido em várias linhas de pesquisa, tanto no desenvolvimento de novos conceitos de brocas como na seleção de um sistema de perfuração que apresente um melhor desempenho. Para atingir este objetivo, estão sendo priorizados procedimentos e sistemas de perfuração que apresentem menores níveis de vibração, pois este fenômeno além de reduzir a eficiência da perfuração, também compromete o tempo de vida útil dos equipamentos e, por consequência, acarreta a redução da confiabilidade do sistema e eleva o custo por metro da perfuração. Por conseguinte, novas tecnologias de brocas e sistemas de perfuração estão em desenvolvimento e, dentre as novas tecnologias, podemos diferenciar aquelas que promovem melhorias nas tecnologias convencionais e as tecnologias francamente inovadoras, aquelas que utilizam novos mecanismos para cortar ou fragilizar a rocha. Dentre as tecnologias inovadoras, a perfuração assistida por laser é uma das mais promissoras, nesta versão o feixe da energia radiante tem a função principal de fragilizar a rocha, facilitando o avanço da perfuração. Esta dissertação tem por objetivo realizar uma avaliação das possibilidades de aplicação da tecnologia laser na perfuração de rochas. O meio através do qual o laser deverá atuar nas aplicações futuras é analisado sobre o enfoque das suas propriedades físico-químicas. Dessa forma, o conhecimento da interação com o fluido de perfuração é o ponto de partida para a análise de viabilidade. Inicialmente, análises de absorção ótica foram realizadas em alguns tipos de fluido utilizados na indústria do petróleo e, na sequência, foram realizados testes de bancada com um dispositivo eletro-mecânico, especialmente desenvolvido, para servir de base para o laser, com potência máxima de 1500 W, direcionado sobre amostras de rochas carbonáticas. A análise de absorção ótica tem por objetivo compreender melhor o processo de interação do laser com o fluido de perfuração. Os testes de absorção ótica foram realizados para avaliar a absorção da luz, na faixa de comprimento de onda entre 800 nm até 1200 nm. A partir destas informações foi dado o primeiro passo no conhecimento da interação com o fluido de perfuração. Na seqüência da abordagem, um resumo, em nível de pesquisa bibliográfica é apresentado com os estudos, análises e testes de bancada já realizados por vários pesquisadores para verificar o estágio de desenvolvimento desta tecnologia inovadora. A partir deste conhecimento, será possível fazer uma inferência sobre as reais possibilidades desta tecnologia e iniciar um levantamento preliminar sobre os pontos considerados críticos para a sua aplicação, no cenário de perfuração de um poço de petróleo. O cenário de perfuração, como se sabe, é um ambiente agressivo, sujeito a altas vibrações, temperaturas e pressões elevadas. Para concluir, serão apresentados os resultados obtidos em teste de bancada com dispositivo especificamente construído para a fundamentação das conclusões da dissertação. Dentre os aspectos mais relevantes, podemos mencionar: a determinação da durabilidade do sistema, considerando a resistência da lente de focalização ao aquecimento provocado pelo laser e, também, uma avaliação da eficiência do processo sob o ponto de vista do valor obtido para a energia específica. Em resumo, o objetivo final dessa dissertação é o de concentrar em um documento as informações mais atualizadas sobre a utilização do laser na perfuração de rochas e apresentar uma análise, ainda que preliminar, sobre os possíveis pontos de melhoria que permitam viabilizar esta tecnologia no futuro. / [en] One of the biggest challenges in drilling the carbonate rocks located at great depths is to overcome low penetration drilling rates that have been obtained in vertical and directional wells. To overcome this challenge, a great effort is being developed on multiple lines of research. All of them are focused in new concepts of drilling procedures and the selection of a drilling system that presents a better performance. To achieve this goal, new procedures are being designed and drilling systems with lower vibration levels are under development. Vibration reduces the efficiency of drilling, also decreases the lifetime of equipment and consequently causes a reduction in reliability of all system and raises the drilling costs. Consequently, new drill bit technologies and drilling systems are being developed and, among the new technologies we can differentiate those that only promote improvements in conventional technologies and those innovative technologies, in which new mechanisms to cut or weaken the rock are used. The drilling assisted laser is one of the most promising mechanism in which the radiant energy beam has the primary function to weaken the rock increasing the performance of drilling process. This dissertation aims to perform an assessment of the possibilities of laser technology in rock drilling applications. The laser will have to pass through the drilling fluid in the future applications so it is very important to understand their physicochemical properties and their mutual interaction. For this reason, the knowledge of the interaction with the drilling fluid is the starting point for this work. First of all, it will be accomplished an analysis of optical absorption in some types of fluid used in the oil industry. After that, it will be performed bench testing with an electro-mechanical device that will support a laser whose maximum power can reach 1500 W and it will be pointed to carbonate rock samples. The optical absorption analysis aims to better understand the interaction of the laser with the drilling fluid. The optical absorption tests are performed to evaluate the absorption of light in the wavelength range from 800 nm to 1200 nm. From this information, it will be taken the first step to understand the interaction with the drilling fluid, which is the starting point for the feasibility study of the use of lasers. Following the approach, a literature review will be presented with the studies, analysis and bench testing already conducted by various researchers to check the stage of development of this new technology. Taking into account this knowledge, it will be possible to make an initial approach about the actual possibilities of this technology and initiate a preliminary survey on the questions that are critical to its application in a drilling scenario in the well construction, an aggressive environment which is subject to high vibrations, high temperatures and pressures. To conclude, we present the results obtained in bench testing with device specifically built for supporting the conclusions of the dissertation. Among the most relevant aspects, we can mention the durability of the system, considering the focusing lens lifetime under the heating effects caused by the laser. Another point, it is to make an evaluation of the performance of drilling process, considering the specific energy. In summary, the ultimate goal of this dissertation is to concentrate in a single document the most current information about the use of laser drilling and present an analysis, though preliminary, about the possible improvement points that will allow the feasibility of this technology in the future.