Grades de Bragg em fibras ópticas vêm sendo bastante utilizadas nas áreas de telecomunicações e sensores. Na área de sensores, elas servem para medir grandezas como deformação e temperatura. Uma das vantagens da utilização de grades de Bragg em sensores a fibra óptica é que estas grandezas alteram o comprimento de onda do pico de refletividade e não o nível de potência do elemento sensor, fazendo com que o sensor a grade de Bragg seja menos sujeito à variação da potência da fonte e degradação dos componentes.Uma forma de se detectar a variação do comprimento de onda da grade é através de um analisador de espectro óptico. Entretanto, essa solução não é muita prática para testes de campo com esses sensores. Uma forma mais adequada de se medir esse parâmetro é através do uso dos chamados Interrogadores de sensores a grade de Bragg. Esses Interrogadores transformam variações de comprimento de onda em variações de amplitude, facilmente detectadas através de um fotodetector. Dois tipos de Interrogadores foram analisados e estudados experimentalmente nesta tese: o interrogador a filtro casado (IFC) e o interrogador a filme fino (IFF). Suas características principais são apresentadas nesta tese e o desempenho de cada um deles é analisado. O Interrogador a filtro casado apresentou um desempenho melhor do que aquele baseado em filme fino, mas com a desvantagem de requerer muitos componentes para sistemas com um número grande de sensores.

Este trabalho apresenta a análise temporal do deslocamento do comprimento de onda de Bragg baseada na teoria da elastodinâmica linear e na teoria viscoelástica. As soluções exatas para o modelo de uma fibra engastada são encontradas a fim de estimar a máxima velocidade de sintonização quando forças de tração são aplicadas na extremidade livre da fibra. É feita a comparação entre a fibra monomodo de sílica e a fibra monomodo polimérica mostrando as diferenças do tempo de resposta, velocidade de sintonização e deslocamento de onda de Bragg quando a mesma carga longitudinal é aplicada. Também apresenta a resposta transiente e permanente para o método Modos Assumidos, com aplicação potencial em estruturas submetidas a cargas harmônicas longitudinais, com massa e rigidez concentradas e seção transversal variável. Usando a combinação entre os métodos modos assumidos e matriz de transferência, simulações foram feitas para um modulador acusto-óptico, baseado em redes de Bragg em fibra, quando uma carga harmônica é aplicada. O espectro resultante e a duração do regime transiente são calculados e comparados com resultados experimentais relatados na literatura. Além disso, este trabalho apresenta um sintonizador de redes de Bragg, baseado no princípio da mola de entalhe, que permite a magnificação do deslocamento provocado por um atuador piezoelétrico através da tração em um pedaço de fibra. O tempo de resposta é encontrado experimentalmente para diferentes casos de amortecimento. / This work presents the time analysis of the Bragg wavelength shift in fiber gratings based on the elastodynamics theory and viscoelastic theory. The model is valuable for estimating the maximum tuning speed when traction forces are apllied to the free end of the grating. A comparison between single mode silica optical fiber and polymer optical fiber is performed showing the differences of time response, tuning speed and Bragg wavelength shift when the same longitudinal load is applied on both types of fibers. Also presents the transient and steady state solutions for Assumed Modes method, with potential application on general structures under harmonic longitudinal loads, with mass and stiffness concentrated and variable cross section. Using the combined Assumed Modes and Matrix Transfer method, simulations results were performed on a Bragg grating acousto-optic modulator when a harmonic load is applied. The resulting spectrum and the transient duration were calculated and compared with experimental results related by literature.Furthermore, this work presents a mechanism tuning FBGs, based on a notch type spring principle, which magnifies the displacement of a piezoelectric element stretching a piece of fiber optic. Time response is experimentally acessed for different damping situations of the notch type spring.

Este trabalho trata do desenvolvimento de um acelerômetro opto-mecânico empregando como elementos sensores grades de Bragg a fibras ópticas. É abordado o desenvolvimento da mecânica do sistema, além de sua óptica e eletrônica, necessários para a leitura dos sensores. No aspecto mecânico são apresentadas duas propostas de topologias para o módulo sensor, uma das quais é adotada como solução do problema em pauta. Essa topologia é modelada por meio do software MatLab, determinando-se suas dimensões em função das características desejadas. A partir desse modelamento foi usinado um demonstrador de conceitos, utilizado para os ensaios subseqüentes. É apresentada também uma caixa de integração para o sistema, capaz de portar o módulo sensor, a óptica de apoio e a eletrônica de processamento de sinais, na forma de um laboratório portátil. No aspecto óptico são apresentadas duas fontes ópticas e quatro sistemas interrogadores embarcáveis, visando um produto modular, independente de equipamentos comerciais para sua leitura. São apresentadas metodologias para a determinação dos pares otimizados de grades de Bragg e para a predição da resposta característica do sistema. No aspecto eletrônico são apresentados quatro circuitos para tornar o sistema embarcável, que são a fonte de energia, a fonte óptica, os circuitos de transimpedância e conversão análogo-digital e o circuito de controle digital. Como resultados os quatro sistemas interrogadores propostos são caracterizados para a medida de acelerações, e são realizados outros ensaios para determinar possíveis fontes de erro do sistema. Nas conclusões, além da comparação dos resultados obtidos com as características de um acelerômetro por realimentação de força, tipicamente empregado em aplicações inerciais, são propostos vários trabalhos futuros, assim como aplicações duais para a óptica e eletrônica desenvolvidas neste trabalho.

Este trabalho descreve a produção e a caracterização de redes de período longo (LPG) e redes de Bragg corroídas como elemento sensor. Tanto a produção quanto às caracterizações das redes de período longo foram realizadas no Laboratório de Laser da UTFPR e a produção e caracterização das redes de Bragg corroídas foram realizadas no Laboratório de Óptica Coerente da Universidade de Aveiro, Portugal. São abordados aspectos referentes aos princípios de produção e funcionamento do dispositivo. São apresentados os resultados obtidos na produção e na caracterização das redes, bem como os sistemas experimentais desenvolvidos para estes fins. O método empregado para a escrita das redes de período longo foi o da aplicação ponto-a-ponto de um arco elétrico, sendo produzidas redes com períodos de 598 e 600 μm operando na terceira janela de transmissão em torno de 1,55 μm. As redes de período longo e as redes de Bragg corroídas foram caracterizadas quanto as suas sensibilidades ao índice de refração, temperatura e deformações longitudinais (esta última caracterização foi realizada apenas para as redes de período longo), assim com a sensibilidade cruzada a estes parâmetros. A resposta das redes de período longo em função da variação do índice de refração do meio externo em duas diferentes situações, uma na presença de gasolina em ambiente hídrico e outra na presença de vapores de hidrocarbonetos ambiente atmosférico, indica a possibilidade da utilização deste dispositivo na detecção de vazamentos de hidrocarbonetos em refinarias ou postos de abastecimentos. Estas redes também foram caracterizadas para monitorar a concentração de cromo (III e VI) em soluções aquosas, os resultados indicam a possibilidades de monitorar em tempo real os processos de tratamento destes produtos, e assim otimizar este processo. As redes de Bragg foram utilizadas para a caracterização de propriedades ópticas de materiais, o resultado obtido para o etanol mostrou boa concordância com os valores apresentados na literatura, indicando que esta é uma técnica adequada para este fim. / This work describes the production and characterization of long period gratings (LPG) and etched fiber Bragg gratings as sensors. Both the production and characterization were carried out at the Laser Laboratory of UTFPR and the production and characterization of etched fiber Bragg gratings were carried out at Coherent Optics Laboratory of University of Aveiro, Portugal. Aspects concerning to the production and operation principles are shown. The results obtained from the grating production and characterization, as well as the experimental set-up developed to these goals are presented. The method used to write the gratings was the application of point-to-point electrical arch discharge, resulting in grating periods of 598 and 600 μm operating at the third window transmission around 1.55 μm. The long period gratings and the etched fiber Bragg gratings were characterized as a function of modification on the refractive index of the external surrounding environment, of temperature changes and strain (this last parameter was carried out only for long period gratings), the cross sensitivity also was characterized. The refractive index response of long period grating at two different conditions, one of them for presence of gasoline blend in water environment and another one for vapors of some hydrocarbon in closed container, points to the use of this device for hydrocarbon leakage detection at refineries and gas stations. Long period gratings e results obtained for ethanol agrees with the data find in literature, showing that this is a good technique for this goal.

Este trabalho descreve a produção e a caracterização de redes de período longo (LPG) e redes de Bragg corroídas como elemento sensor. Tanto a produção quanto às caracterizações das redes de período longo foram realizadas no Laboratório de Laser da UTFPR e a produção e caracterização das redes de Bragg corroídas foram realizadas no Laboratório de Óptica Coerente da Universidade de Aveiro, Portugal. São abordados aspectos referentes aos princípios de produção e funcionamento do dispositivo. São apresentados os resultados obtidos na produção e na caracterização das redes, bem como os sistemas experimentais desenvolvidos para estes fins. O método empregado para a escrita das redes de período longo foi o da aplicação ponto-a-ponto de um arco elétrico, sendo produzidas redes com períodos de 598 e 600 μm operando na terceira janela de transmissão em torno de 1,55 μm. As redes de período longo e as redes de Bragg corroídas foram caracterizadas quanto as suas sensibilidades ao índice de refração, temperatura e deformações longitudinais (esta última caracterização foi realizada apenas para as redes de período longo), assim com a sensibilidade cruzada a estes parâmetros. A resposta das redes de período longo em função da variação do índice de refração do meio externo em duas diferentes situações, uma na presença de gasolina em ambiente hídrico e outra na presença de vapores de hidrocarbonetos ambiente atmosférico, indica a possibilidade da utilização deste dispositivo na detecção de vazamentos de hidrocarbonetos em refinarias ou postos de abastecimentos. Estas redes também foram caracterizadas para monitorar a concentração de cromo (III e VI) em soluções aquosas, os resultados indicam a possibilidades de monitorar em tempo real os processos de tratamento destes produtos, e assim otimizar este processo. As redes de Bragg foram utilizadas para a caracterização de propriedades ópticas de materiais, o resultado obtido para o etanol mostrou boa concordância com os valores apresentados na literatura, indicando que esta é uma técnica adequada para este fim. / This work describes the production and characterization of long period gratings (LPG) and etched fiber Bragg gratings as sensors. Both the production and characterization were carried out at the Laser Laboratory of UTFPR and the production and characterization of etched fiber Bragg gratings were carried out at Coherent Optics Laboratory of University of Aveiro, Portugal. Aspects concerning to the production and operation principles are shown. The results obtained from the grating production and characterization, as well as the experimental set-up developed to these goals are presented. The method used to write the gratings was the application of point-to-point electrical arch discharge, resulting in grating periods of 598 and 600 μm operating at the third window transmission around 1.55 μm. The long period gratings and the etched fiber Bragg gratings were characterized as a function of modification on the refractive index of the external surrounding environment, of temperature changes and strain (this last parameter was carried out only for long period gratings), the cross sensitivity also was characterized. The refractive index response of long period grating at two different conditions, one of them for presence of gasoline blend in water environment and another one for vapors of some hydrocarbon in closed container, points to the use of this device for hydrocarbon leakage detection at refineries and gas stations. Long period gratings e results obtained for ethanol agrees with the data find in literature, showing that this is a good technique for this goal.

Este estudo desenvolve uma técnica para avaliar a magnitude das forças aplicadas sobre um dente por meio da aparelhagem ortodôntica utilizando sensores de fibra ótica com redes de Bragg (FBG) e fibras óticas poliméricas. Esses sensores apresentam características como pequena dimensão, flexibilidade e servem como transdutores óticos, convertendo deformação mecânica em deslocamento espectral, ou em intensidade luminosa, demonstrando ser adequados para inspeção com precisão. Os ensaios foram realizados sobre um modelo maxilar elastomérico que simula uma fase de um tratamento ortodôntico. Os sensores foram posicionados entre o acessório ortodôntico e o dente. Como resultado observou-se valores de forças variando de 0,10 a 0,63 N sobre a superfície do dente incisivo central, medidas com FBG e um intervalo de 0,18 até 0,45 N quando aferidas com fibras poliméricas. O estudo viabiliza a construção futura de sensores para serem empregados em estudos in vivo. / Fibre Bragg gratings and polymer optical fibre sensors we used to investigate orthodontic forces. These sensors offer advantages for their use due to the reduced dimensions, chemical inertness, dielectric structure, high sensitivity and compatibility. The measured signal is the wavelength position of the peak in theoptical reflection spectra of the Bragg sensor or changes in the intensity of the transmitted light in polymer fibre sensors, which are related to the transversal force applied on the tooth. The technique is tested in an artificial maxilla model, witch reproduces the orthodontic structure with the sensor placed between the metal tooth and the bracket. The results show forces intensity from 0,10 to 0,63 N over the central incisor when FBGs is used and from 0,18 to 0,45 N using a polymer fibre. The sensor can detect the dissipated forces in the orthodontic model. New fibre optic materials can offer promising improvement in the study of orthodontics forces, in vivo.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Grades de Bragg nÃo-lineares tÃm sido consideradas desde o final do sÃculo passado para aplicaÃÃes em sistemas de comunicaÃÃes Ãpticas e sensoriamento. O estudo de pulsos ultra-curtos em grades de Bragg lineares, entretanto, sà tem sido considerado nos Ãltimos anos, devido ao desenvolvimento de tÃcnicas numÃricas especÃficas para se resolver o problema. Neste trabalho, foi realizado um estudo analÃtico-numÃrico das caracterÃsticas de transmissÃo e reflexÃo das grades de Bragg nÃo-lineares. Pela primeira vez, foram consideradas variaÃÃes periÃdicas da nÃo-linearidade no dispositivo operando no regime de onda continua, levando a uma nova classe de grades nÃo-uniformes. CaracterÃsticas dos estados bi- e multi-estÃveis foram extensamente investigados nas grades de Bragg nÃo-lineares. TambÃm, pela primeira vez, foi realizado o estudo numÃrico de pulsos ultracurtos ($sim$1 ps) incidindo em grades nÃo-lineares. O enfoque foi dado para a dependÃncia da intensidade de um pulso ultracurto ao passar por tal grade. Foram estudadas, ainda, as dependÃncias na forma temporal da profundidade de modulaÃÃo da grade e do Ãndice nÃo-linear. Grades apodizadas foram consideradas, jà que estas sÃo de importÃncia fundamental nos sitemas de comunicaÃÃes modernos. / Nonlinear fiber Bragg gratings has been considered since the end of last century for applications in optical communications and sensor techniques. The investigation of ultrashort pulses in linear Bragg gratings, however has been considered in the last few years due the development of specifical numerical techniques to solve this problem. In the present work an analytical and numerical study of the reflection and transmission characteristics of nonlinear Bragg gratings was done. For the first time, it has been considered periodic variations of the nonlinearity in that devices operating in the continuous wave regime, leading to a new class of nonuniform gratings. It was extensively investigated the bi- and multistable characteristics in these nonlinear fiber Bragg gratings. Also, for the first time, the numerical study of ultrahsort pulses ($sim$1 ps) incident in nonlinear gratings was done. The focus was the input pulse intensity dependence on that gratings. Also, the depedences in the time shapes of grating index modulation depth and nonlinear index were studied. Apodized gratings were considered since they are of fundamental importance in modern communications systems.

Essa dissertação de mestrado é dedicada ao estudo, desenvolvimento e caracterização da resposta dinâmica de transdutores de deformação mecânica e de temperatura baseados em grades de Bragg inscritas em fibras ópticas (FBG). Como não se encontram referências diretas na literatura da área sobre a caracterização da resposta dinâmica de sensores de temperatura e deformação a FBG, percebeu-se a importância de realizar um trabalho com ênfase nesse aspecto. O desenvolvimento de transdutores FBG de deformação e de temperatura com resposta dinâmica rápida é de grande importância, já que as grades de Bragg são afetadas, de maneira intrínseca, simultaneamente pelas duas grandezas e que existe um amplo leque de aplicações em que uma delas, ou ambas, variam rapidamente. Nesses casos, diferenças em termos de tempos de resposta entre os sensores utilizados para medição de deformação e os usados para compensação de temperatura podem acarretar em erros significativos nas medidas, o que pode até inviabilizar o uso dos sensores a grades de Bragg em tais aplicações. Este trabalho apresenta um compêndio da teoria da tecnologia das FBG para aplicação em sensores ópticos de deformação e de temperatura. Buscando contribuir para o domínio das técnicas de fabricação de sensores a FBG no Brasil, também são apresentados os resultados experimentais da utilização de grades de Bragg inscritas em fibras ópticas fabricadas no laboratório da Subdivisão de Sensores (EFO-S), da Divisão de Fotônica do Instituto de Estudos Avançados (IEAv) do Comando-Geral de Tecnologia Aeroespacial (CTA), como elementos sensores em ensaios de deformação e de temperatura. Os resultados de caracterizações, tanto de FBG produzidas no IEAv quanto de sensores de deformação e de temperatura comerciais das empresas Micron Optics e Fiber Sensing, foram obtidos por meio de três interrogadores diferentes e são comparados e apresentados neste trabalho. Em uma análise realizada dos resultados apresentados de sensores a FBG, utilizados para medição de temperatura e de deformação mecânica em alguns arranjos experimentais, foram observados comportamentos dinâmicos não lineares que apresentam-se como um obstáculos a serem vencidos para a viabilização da aplicação desta técnica à medição desses parâmetros quando os mesmos são rapidamente variáveis. / This dissertation is devoted to the study, development and characterization of the dynamic response of mechanical strain and temperature transducers based on Bragg gratings inscribed in optical fibers (FBG). Since there are no direct references in the literature on the characterization of the dynamic response of FBG based temperature and strain sensors, it was realized the importance of conducting a study with emphasis on this aspect. The development of FBG strain and temperature transducers with fast dynamic response is of great importance, since the Bragg gratings are intrinsically and simultaneously affected by the two quantities and there is a wide range of applications in which one or both quantities vary rapidly. In such cases, differences in response times between the sensors used for measurement of strain and used for temperature compensation can result in significant errors, which may even preclude the use of FBG sensors in such applications. This work presents a compendium of the theory related to FBG technology for application in optical strain and temperature sensors. Seeking to master the techniques of manufacture of the FBG sensors in Brazil, experimental results from the use of FBG manufactured in the laboratory of Sensors Subdivision (EFO-S), of Photonics Division of Institute of Advanced Studies (IEAv) of General Command for Aerospace Technology (CTA) as sensor elements in strain and temperature trials are also presented. The results of both characterizations, of FBG produced in IEAv and strain and temperature commercial sensors, produced by Micron Optics and Fiber Sensing manufacturers, were obtained from three different interrogators and are compared and presented in this paper. In an analysis of the results of FBG sensors used for measuring temperature and mechanical deformation in some experimental arrangements, nonlinear dynamic behaviors were observed. Such behaviors present themselves as an obstacle to be overcome to achieve the feasibility of applying this technique to measurement of these parameters when they are rapidly changing.

Essa dissertação de mestrado é dedicada ao estudo, desenvolvimento e caracterização da resposta dinâmica de transdutores de deformação mecânica e de temperatura baseados em grades de Bragg inscritas em fibras ópticas (FBG). Como não se encontram referências diretas na literatura da área sobre a caracterização da resposta dinâmica de sensores de temperatura e deformação a FBG, percebeu-se a importância de realizar um trabalho com ênfase nesse aspecto. O desenvolvimento de transdutores FBG de deformação e de temperatura com resposta dinâmica rápida é de grande importância, já que as grades de Bragg são afetadas, de maneira intrínseca, simultaneamente pelas duas grandezas e que existe um amplo leque de aplicações em que uma delas, ou ambas, variam rapidamente. Nesses casos, diferenças em termos de tempos de resposta entre os sensores utilizados para medição de deformação e os usados para compensação de temperatura podem acarretar em erros significativos nas medidas, o que pode até inviabilizar o uso dos sensores a grades de Bragg em tais aplicações. Este trabalho apresenta um compêndio da teoria da tecnologia das FBG para aplicação em sensores ópticos de deformação e de temperatura. Buscando contribuir para o domínio das técnicas de fabricação de sensores a FBG no Brasil, também são apresentados os resultados experimentais da utilização de grades de Bragg inscritas em fibras ópticas fabricadas no laboratório da Subdivisão de Sensores (EFO-S), da Divisão de Fotônica do Instituto de Estudos Avançados (IEAv) do Comando-Geral de Tecnologia Aeroespacial (CTA), como elementos sensores em ensaios de deformação e de temperatura. Os resultados de caracterizações, tanto de FBG produzidas no IEAv quanto de sensores de deformação e de temperatura comerciais das empresas Micron Optics e Fiber Sensing, foram obtidos por meio de três interrogadores diferentes e são comparados e apresentados neste trabalho. Em uma análise realizada dos resultados apresentados de sensores a FBG, utilizados para medição de temperatura e de deformação mecânica em alguns arranjos experimentais, foram observados comportamentos dinâmicos não lineares que apresentam-se como um obstáculos a serem vencidos para a viabilização da aplicação desta técnica à medição desses parâmetros quando os mesmos são rapidamente variáveis. / This dissertation is devoted to the study, development and characterization of the dynamic response of mechanical strain and temperature transducers based on Bragg gratings inscribed in optical fibers (FBG). Since there are no direct references in the literature on the characterization of the dynamic response of FBG based temperature and strain sensors, it was realized the importance of conducting a study with emphasis on this aspect. The development of FBG strain and temperature transducers with fast dynamic response is of great importance, since the Bragg gratings are intrinsically and simultaneously affected by the two quantities and there is a wide range of applications in which one or both quantities vary rapidly. In such cases, differences in response times between the sensors used for measurement of strain and used for temperature compensation can result in significant errors, which may even preclude the use of FBG sensors in such applications. This work presents a compendium of the theory related to FBG technology for application in optical strain and temperature sensors. Seeking to master the techniques of manufacture of the FBG sensors in Brazil, experimental results from the use of FBG manufactured in the laboratory of Sensors Subdivision (EFO-S), of Photonics Division of Institute of Advanced Studies (IEAv) of General Command for Aerospace Technology (CTA) as sensor elements in strain and temperature trials are also presented. The results of both characterizations, of FBG produced in IEAv and strain and temperature commercial sensors, produced by Micron Optics and Fiber Sensing manufacturers, were obtained from three different interrogators and are compared and presented in this paper. In an analysis of the results of FBG sensors used for measuring temperature and mechanical deformation in some experimental arrangements, nonlinear dynamic behaviors were observed. Such behaviors present themselves as an obstacle to be overcome to achieve the feasibility of applying this technique to measurement of these parameters when they are rapidly changing.