Orientador: Cláudio Kitano / Banca: Ricardo Tokio Higuti / Banca: Luiz Antonio Perezi Marçal / Resumo: Neste trabalho estuda-se a interferometria laser, a qual constitui uma técnica adequada para determinar grandezas físicas com sensibilidade extremamente elevada. Basicamente, no interferômetro óptico, a informação a respeito do dispositivo sob teste é inserida na fase da luz. Utilizando-se o fotodiodo, promove-se a transferência de informação, do domínio óptico para o elétrico, no qual pode ser demodulada usando-se as várias técnicas disponíveis na literatura para detectar sinais modulados em fase. Ênfase é dada a um novo método de demodulação de fase óptica auto-consistente e de grande sensibilidade. Neste método, utiliza- se a modulação dada por uma forma de onda triangular e é baseado na análise do espectro do sinal fotodetectado, sendo capaz de estender a faixa dinâmica de demodulação a valores tão elevados quanto às dos métodos clássicos. Simulações dinâmicas computacionais de interferômetros ópticos são executadas em Simulink juntamente com este método, levando-se em consideração tensões de ruído eletrônico do tipo ruído branco, evidenciando a eficiência do método quando comparados com dados teóricos obtidos em Matlab. A validação experimental do método é realizada com o auxílio de um modulador eletro-óptico de amplitudes, cujas características de fase podem ser previstas analiticamente. Trata-se de um sensor polarimétrico baseado em cristal de Niobato de Lítio, em que a diferença de fase óptica induzida pela tensão elétrica aplicada pode ser determinada através de análise espectral, tal como o novo método descrito neste trabalho. Um interferômetro de Michelson homódino de baixo custo é implementado e a eficiência do novo método de demodulação de fase óptica é avaliada através de testes com atuadores e manipuladores piezoelétricos flextensionais, cujas características de linearidade são conhecidas... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: In this work, has been done a study the laser interferometer, which is a technique for determining physical quantities with extremely high sensitivity. Basically, in the optical interferometer, information about the device under test modulates the phase of light. Using a photodiode, promotes the transfer of information from the optical domain for the electric, which can be demodulated using the various techniques available in literature to detect modulated signals in phase. Emphasis is given to a new method of phase demodulation of optical self-consistent and high sensitivity. The method employs a linear modulation given by a triangular waveform, and is based on analysis of the spectrum of the photodetected signal, being able to extend the dynamic range of the demodulation values as high as the classical methods. Dynamic computational simulations of optical interferometers are implemented in Simulink with this method, taking into account strains of electronic noise like white noise, indicating the efficiency of the method compared with theoretical data obtained in Matlab workspace. The experimental validation of the method is performed with the aid of an electro- optic amplitude modulator, whose phase characteristics can be analytically predicted. This is a polarimetric sensor based on lithium niobate crystal, in which the optical phase difference induced by electric voltage can be determined by spectral analysis, using new method described in this work. A low cost homodyne Michelson interferometer is implemented and the efficiency of the new method of optical phase demodulation is evaluated by testing with piezoelectric flextensional actuators whose characteristics of linearity are well known.The experimental results agree with theoretical analysis and reveal this method is more efficient than the classical methods / Mestre

Orientador: Cláudio Kitano / Banca: Ricardo Tokio Higuti / Banca: Ailton Akira Shinoda / Banca: Agnaldo Aparecido Freschi / Banca: Gefeson Mendes Pacheco / Resumo: Nesta tese, cinco novas técnicas de demodulação de fase óptica são propostas, as quais constituem versões melhoradas do método espectral J1...J4 clássico. As técnicas são adequadas para uso com sistemas interferométricos de dois feixes, homódinos, operando em malha aberta e sob excitação senoidal. As novas técnicas, aqui denominadas de métodos J1/J3A, J1...J3, Jm/Jm+2 e J0...J3, para medição do índice de modulação de fase, e, um novo método de medição da fase quase-estática, são de fácil implementação, não sendo afetadas pelo desvanecimento de sinal detectado, instabilidade da fonte óptica e visibilidade das franjas de interferência, possibilitando medições em tempo real. Os novos métodos espectrais foram avaliados com ruído branco, 1/f2 e fase quase-estática aleatória, usando o Matlab. Além disso, simulações dinâmicas realizadas no Simulink evidenciaram as vantagens dos novos métodos, que também foram testados em dois experimentos distintos: o primeiro foi direcionado à medições de tensões elétricas senoidais, usando um sensor óptico de tensão (SOT), baseado numa célula Pockels de cristal de niobato de lítio; o segundo, foi dedicado à medições de amplitudes de deslocamentos nanométricos de um atuador piezoelétrico flextensional (APF), usando-se um interferômetro de Michelson. Por ser um sistema que pode ser modelado analiticamente, o SOT serviu para validar os novos métodos espectrais. A caracterização de APF's usando os novos métodos ópticos é a aplicação relevante desta tese. Medições de deslocamentos no APF, desde a faixa subnanométrica até a micrométrica, realizadas usando-se os métodos J0...J3 e Jm/Jm+2, permitiram analisar sua linearidade e resposta em freqüência, as quais foram comparadas com os resultados obtidos com um analisador de impedâncias vetorial. Ambos os resultados experimentais, ...(Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: In this work, five novel optical phase demodulation techniques are proposed, which overcome some of the limitations of the J1…J4 classical method. These improved techniques are applied with two beams, homodyne, open loop and sinusoidal phase modulation interferometer systems. These new techniques, named in this work as "J1/J3A, J1...J3, Jm/Jm+2 and J0...J3 methods," which are applied to phase modulation index measurements, and "the novel method for quasi-static phase measurements," are of simple implementation, and are unaffected by signal fading, laser source instabilities or changes in fringe visibility. In addition they allow real time measurements. The new methods were evaluated with white noise, 1/f2 noise and random fading, using Matlab/Simulink, making evident their advantages in relation to the classical methods. These methods were also tested in two experiments: the first one, corresponds to an optical voltage sensor (OVS), based on lithium niobate Pockels cell; the second one, refers to the measurement of nanometric displacement amplitudes of a piezoelectric flextensional actuator (PFA), by using a Michelson interferometer. Because the OVS has an analytic response, it was suitable to validate the new spectral methods. The characterization of the PFA by using the new optical methods is the main application of this thesis. PFA displacements, from sub-nanometer up to micrometer range were detected by applying the J0…J3 and Jm/Jm+2 methods. By measuring the PFA displacements, the linearity and frequency response of the PFA were evaluated. To confirm the observed frequencies of resonance an impedance analyzer was used to measure the magnitude and phase of the PFA admittance. Results obtained for the OVS and PFA systems, with the new methods and those produced by the J1...J4, J1...J6-neg, J1...J6-pos and J0...J2 classic methods, ...(Complete abstract, click electronic access below) / Doutor

Orientador: Cláudio Kitano / Banca: Aparecido Augusto de Carvalho / Banca: Demartonne Ramos França / Resumo: Atuadores piezoelétricos convertem energia elétrica em energia mecânica, sendo amplamente utilizados como transdutores de deslocamento micrométricos ou sub-micrométricos de elevada precisão. Neste trabalho, atuadores piezoelétricos flextensionais (APFs), projetados pelo método de otimização topológica, são caracterizados em termos de linearidade entre a tensão de excitação e o deslocamento gerado, bem como em termos de resposta em frequência, utilizando-se um interferômetro de Michelson homódino e em malha aberta. Interferômetros homódinos não realimentados têm seu desempenho prejudicado pelo fenômeno de desvanecimento, causado por perturbações ambientais espúrias que incidem aleatoriamente entre seus braços. Nesta dissertação, enfatizam-se métodos de demodulação de fase óptica baseados em relações envolvendo as componentes espectrais do sinal de saída do interferômetro que são imunes ao problema do desvanescimento. Dentre estes, destacam-se métodos clássicos como J1... J4, J1... J4 modificado, J1... J6 neg e J1... J6 pos. Estes métodos permitem a medição direta de deslocamentos microscópicos, sem a necessidade de qualquer procedimento de calibração. Além disso, não são afetados por instabilidades da fonte óptica, da responsividade do fotodiodo e da visibilidade das franjas de interferência. Contudo, apresentam reduzidas faixas dinâmicas de demodulação de fase. A fim de superar esta deficiência, investiga-se um método adicional de detecção direta, baseado na análise do espectro do sinal fotodetectado, exibindo todas as vantagens dos demais métodos, mas que é capaz de estender a faixa dinâmica de demodulação a valores tão elevados quanto 100 rad. Simulações computacionais são executadas com este método, levando-se em consideração o efeito do desvanecimento e tensões de ruído eletrônico do tipo 1/f, evidenciando... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Piezoelectric actuators convert electrical energy into mechanical energy, being widely used as micrometric or sub-micrometric displacement transducer of high accuracy. In this work, piezoelectric flextensional actuators (PFA's), designed by the topology optimization method, are characterized in terms of linearity between the drive voltage and the corresponding displacement, as well as in terms of frequency response, using a homodyne, open-loop, Michelson interferometer. Homodyne interferometers without feedback have their performance spoiled by signal fading, caused by spurious environmental disturbances that occur randomly between their arms. This thesis emphasizes methods of optical phase demodulation, based on relations involving the spectral components of the interferometer output signal, which are immune to signal fading. Among these methods, it is detailed here the classical ones, such as J1... J4, modified J1... J4, J1... J6 neg e J1... J6 pos. These methods allow direct measurements of microscopic displacements, free of calibration procedures. Besides, they are not affected by optical source oscillations, photodiode responsivity and interferometric fringe visibility. However, they have reduced dynamic range for phase demodulation. In order to overcome this, this work investigates an additional method for direct detection, based on spectral analysis drawback of the photodetected signal. The method has all the advantages of the others, but it is able to span its demodulation dynamic range to values as high as 100 rad. Numerical simulations are done using this method (considering the signal fading and the 1/f electronic noise voltage), showing its viability to characterize PFA's. Experiments are performed in laboratory, involving tests with different PFA's. The method validation is carried out with the aid of an electrooptic intensity modulator, whose phase characteristics can... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre