The acoustic emission technique is an effective way to acquire crack information from material bodies at the microscopic level. Monitoring of the acoustic emission events provides a deeper understanding regarding the structural health status of critical constructions such as bridges, railways, pipelines, pressure vessels, etc. Thanks to the acoustic emission monitoring systems, it is possible to avoid catastrophic events and save lives, time, and money. For this reason, efforts to develop new acoustic emission sensor technologies, as well as the use of current acoustic emission sensors in new research fields, will contribute to the limited literature sources. Optical sensing systems provide good alternatives to the existing sensing technologies because of their wide range of detection bandwidths, adaptation to harsh environments, and low sensitivity to electromagnetic interference. For this reason, the first part of this thesis demonstrates an optoacoustic sensing methodology that enables the detection of acoustic emissions by optics. This sensing system consists of thin-film optical filters (TFOF) and an elastic microcavity layer. The sensing mechanism is similar to the Fabry Perot structures and it relies on resonance shifts of the cavity when there is a change in the cavity thickness similar to the Fabry Perot structures. Thus, the design, fabrication, and demonstration steps of a Fabry Perot elastic microcavity have been presented. Throughout the fabrication efforts, a new deposition protocol was developed. This deposition technique has enabled the deposition of TFOF on flexible substrates via the RF-sputtering technique. Thus, a new sensing configuration has been developed using flexible optical components. In the second chapter, an optical sensing methodology based on tunable spectral filters and flexible optical components is introduced. The design, fabrication, realization, and characterization of a proof-of-concept optomechanical sensor have been presented. The design step includes optical, mechanical, and optoacoustic correlation simulations using the Transfer Matrix Method, finite element analysis, and analytical models. Moreover, the fabrication part includes multilayer deposition on silica and flexible substrates using the RF-Sputtering technique and integration of these optical components into a 3D-printed housing together with electronic components. Eventually, the performance evaluation of the optomechanical sensor has been carried out and the experimental results showed that the sensor resonance frequency is around 515 Hz and the sensor is capable of detecting static loadings from 50 Pa to 235 Pa values. In the fourth chapter, seismic vulnerability analysis of a coupled Tank-Piping System has been performed using traditional acoustic emission sensors. Real-time performance evaluation of the pipeline as well as the structural health status of the critical parts were monitored. As a result, deformation levels of each critical part were investigated, and the processing of acoustic emission signals provided a more in-depth view of damage level of the analyzed components. Throughout the thesis, TFOFs are an integral part of this thesis. Therefore, both the design and simulation of TFOFs play a crucial role throughout this research work. The Transfer Matrix Method is used to simulate the optical performance of TFOFs. Moreover, in the final chapter, an automated design framework is presented for the design of TFOFs using a nature-inspired machine learning approach called Genetic algorithm. This design approach enables the design of sophisticated geometric configurations with unique optical capabilities. Therefore, not only the improvement of sensor response but also the new ways in the development of novel optical systems are demonstrated in this final chapter.

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In this thesis, we had studied the transmissivity of electromagnetic waves in onedimensional photonic structures composed by metamaterials in many ways. Applying the formalism of transfer matrix, comparing the transmission spectra between two systems: defective photonic superlattices composed of subwavelength slab widths and a simple photonic structures formed by three layers. Through the effective medium theory, with good accuracy, we had shown the equivalence of the above systems in the spectral region in which there are modes of resonant tunneling for both structures. Furthermore, we had derived a general condition which should be satisfied to observe the resonant modes. Our analytical results may be useful from a technological point of view to propitiate, in the design and development of photonic devices, adjustment or selection of resonant frequencies. Finally, we investigated the electromagnetic wave transmission properties through a multilayer system consisting of alternated layers of air and uniaxially anisotropic metamaterials. The optical axis of each heterostructure coincides with the direction of stacking of the layers. The components of the electric permittivity and magnetic permeability tensors that characterize the metamaterial are modeled by a Drude-type response and split-ring resonator metamaterial response, respectively. Different plasmon frequencies are considered for directions perpendicular and parallel to the optical axis. For oblique incidence, longitudinal plasmon polariton modes are found in the neighborhood of the plasmon frequency along the optical axis. The anisotropy leads to unfolding of nearly dispersionless plasmon-polariton bands either above or below the plasmon frequency. Moreover, it is shown that, even in the presence of loss /absorption, these plasmon polariton modes do survive and, therefore, should be experimentally detected. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Nessa tese, estudamos a transmissividade de ondas eletromagnéticas em estruturas fotônicas unidimensionais formadas por metamateriais, sob vários aspectos. Aplicando o formalismo de matriz de transferência, comparamos os espectros de transmissão entre dois sistemas: redes defeituosas com camadas no regime de sub-comprimento de onda e simples estruturas fotônicas formadas por três camadas. Através da teoria do meio efetivo, com boa acurácia, mostramos a equivalência dos supracitados sistemas na região espectral em que há modos de tunelamento ressonante para ambas estruturas. Além disso, derivamos uma condição geral que deve ser satisfeita para observarmos os modos ressonantes. Nossos resultados analíticos podem ser úteis do ponto de vista tecnológico por propiciarem, na concepção e no desenvolvimento de dispositivos fotônicos, o ajuste ou seleção das frequências de ressonância. Por fim, investigamos as propriedades de transmissão de ondas eletromagnéticas através de sistemas multicamadas consistindo de camadas alternadas de ar e metamateriais uniaxialmente anisotrópicos. O eixo óptico de cada heteroestrutura coincide com a direção de empilhamento das camadas. As componentes dos tensores de permissividade elétrica e permeabilidade magnética que caracterizam os metamateriais são modeladas por respostas do tipo Drude e split-ring resonator, respectivamente. Diferentes frequências de plasmon são consideradas para as direções perpendiculares e paralela ao eixo óptico. Para incidência oblíqua, modos de plasmon polariton longitudinais são encontrados nas vizinhanças da frequência de plasmon ao longo do eixo óptico. A anisotropia leva ao desdobramento de bandas de plasmon polariton quase sem dispersão acima ou abaixo da frequência de plasmon. Além disso, mostramos que mesmo na presença de perdas/absorções, esses modos de plasmon polariton sobrevivem e, portanto, devem ser detectados experimentalmente.

Made available in DSpace on 2016-04-04T18:31:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CLAUDINEI MARTINS.pdf: 2135890 bytes, checksum: 419e34d778fa576dcea52630975b8c78 (MD5) Previous issue date: 2015-06-30 / Pontif?cia Universidade Cat?lica de Campinas / The intensive use of high-density data applications has driven the relentless pursuit of networks capable to provide high traffic capacity. The transparent optical networks plays an important role in the telecommunications infrastructure core, being able to meet these demands. New technologies to terabits per second networks have created a new stage of development for optical communications. New optical components that allows signal process in addition to just transportation, are needed. The scope of these networks extends from the core of the infrastructure to the end user, reaching the last mile, and recently also end devices such as computers, televisions and Internet. In this context, Silicon Photonics gained momentum in the last decade, as an alternative to the need to take the processing of optical signals to levels similar to those already made by semiconductor technology, in processing electrical signals. In our work, we studied systematically using simulations, ring resonators structure in Silicon Photonics, as technology to build miniaturized devices capable of handling optical signals. In particular, we investigated optical band-pass filter design narrowed than such filters used to the separation channel in wavelength division multiplexing systems, for application in various areas of optical networks such as radio over fiber, multiplexers, all optical encoders and modulators. In this work uses ring resonators structure for construction of these high order filters with reduced size, with a substrate of some micrometers area. Such filters could be built into microchips and integrated with other optical and optical-electronic components, resulting in more complex systems, in the near future. The main result was an optical band-pass filter with 8.6 GHz bandwidth based on asymmetric ring resonators with two sets of three rings, with following radii 5 ?m, 2.5 ?m and 5 ?m using a substrate area of 1840 ?m2 or, 57 ?m x 120 ?m. / O uso intensivo de aplica??es de alta densidade de dados tem impulsionado a busca constante por redes capazes de prover elevada capacidade de tr?fego. As redes ?pticas transparentes s?o capazes de atender a estas demandas e cumprem um papel relevante no n?cleo da infraestrutura de telecomunica??es. As novas tecnologias para redes de terabits por segundo criaram uma nova etapa do desenvolvimento das comunica??es ?pticas e novos componentes com capacidade n?o s? de transporte, mas tamb?m de processamento do sinal ?ptico tornaram-se necess?rios. A abrang?ncia destas redes estende-se do n?cleo da infraestrutura at? o usu?rio final, chegando ? ?ltima milha e, mais recentemente, tamb?m aos dispositivos finais, tais como computadores, televisores e Internet. Neste contexto, a Fot?nica de Sil?cio ganhou impulso, na ?ltima d?cada, como uma alternativa ? necessidade de levar o processamento dos sinais ?pticos a n?veis semelhantes aos j? realizados pela tecnologia de semicondutores no processamento de sinais el?tricos. Em nosso trabalho, pesquisamos de forma sistem?tica, utilizando simula??es, para o projeto de filtros com an?is ressoantes, constru?dos em Fot?nica de Sil?cio, para desenvolvimento de dispositivos miniaturizados capazes de tratar sinais ?pticos. Em particular, investigou-se o projeto de filtros ?pticos passa-faixa, de banda inferior ? utilizada, para separa??o de canais em sistemas de multiplexa??o por divis?o de comprimento de onda, para aplica??o em diversas ?reas das redes ?pticas, tais como r?dio sobre fibra, multiplexadores, moduladores e codificadores totalmente ?pticos. Neste trabalho, utiliza-se estrutura de an?is ressonantes para constru??o destes filtros, de ordem elevada e de tamanho reduzido, em um substrato de alguns micr?metros de ?rea. Tais filtros poder?o ser constru?dos em microchips e integrados com outros componentes ?pticos e ?ptico-eletr?nicos, dando origem a sistemas mais complexos no futuro pr?ximo. O principal resultado obtido foi um filtro ?ptico passa banda com 8,6 GHz de largura de banda, baseado em an?is ressoantes assim?tricos, composto de duas estruturas de tr?s an?is de raios 5 ?m, 2,5 ?m e 5 ?m, utilizando uma ?rea de substrato de 6840 ?m2 ou 57 ?m x 120 ?m.

Para a fabricação de filtros ópticos com característica espectral crítica, utiliza-se a tecnologia de filmes finos multicamadas, a qual exige o monitoramento e controle de espessura dos filmes com alta precisão. O sistema tradicional de monitoramento de espessura de filmes, baseado em cristal ressonante, não atende aos requisitos de precisão e repetibilidade do processo exigidos para a fabricação deste tipo de filtro. Já o monitoramento óptico, por sua vez, é um sistema que atende aos requisitos de fabricação destes filtros. Neste trabalho apresenta-se o desenvolvimento de um sistema automático de monitoramento óptico banda larga, para fabricação de filtros com filmes finos multicamadas, que se baseia na utilização de equipamentos ópticos de uso geral disponíveis no mercado. Para realizar análises de desempenho referentes exclusivamente ao algoritmo de automatização, um ambiente de simulação foi preparado, no qual os dados fornecidos pelo equipamento de aquisição de características ópticas durante a deposição efetiva foram substituídos por dados gerados por um algoritmo de simulação de crescimento do filme. Deste modo, o algoritmo de automatização e seus sistemas de segurança puderam ser exercitados. As simulações mostraram que o sistema proposto possui potencial para tornar mais preciso e repetitivo o processo de fabricação de filtros, de modo que atendam aos requisitos das aplicações especiais. / Optical filter manufacturing with critical spectral characteristics uses multilayer thin film technology, which demandas film thickness monitoring and control with high precision. Traditional monitoring systems based on oscillating crystal do not fulfill requirements of accuracy and process repeatability for manufacturing such type of filter. On the other hand, optical broadband monitoring system fulfills the manufacturing requirements to produce these filters. This work presents the development of a broadband optical monitoring system for multilayer thin film filters production, based on general optical equipment commercially available. In order to make the performance analysis related to automation algorithm, a simulation environment has been prepared, where the data supplied by optical data acquisition equipment has been replaced by simulating signals of film growing. Thus the automation algorithm and security systems could be worked. Simulations showed that the system has potential to improve the accuracy and repeatability of the manufacturing process so that the produced filters are able to fulfill the requirements of special applications.

Neste trabalho é apresentada a simulação, fabricação e caracterização de filtros interferenciais empregando películas dielétricas amorfas depositadas pela técnica de deposição a vapor assistida por plasma (PECVD) sobre substratos de silício e de Corning Glass (7059). Os dispositivos ópticos foram construídos usando-se processos padrões de microeletrônica e consistiram em camadas periódicas com espessura e índice de refração apropriados para produzir picos da atenuação na transmitância da luz na região visível. Simulações numéricas precedentes foram realizadas baseando-se nas características ópticas das películas dielétricas. Para a caracterização dos filtros interferenciais, uma luz monocromática de um laser de He-Ne, foi injetada nos filtros e a luz obtida na saída foi conduzida então a um detector. O filtro depositado sobre Corning Glass (chamado de filtro vertical) e o filtro depositado sobre silício com cavidades (chamado de filtro suspenso) foram montados sobre dispositivos térmicos e angulares de modo a medir suas respostas à variação angular e térmica. Também, o filtro depositado sobre silício (chamado de filtro horizontal) foi montado sobre um dispositivo térmico, a fim de medir sua resposta à temperatura. Quando os filtros são submetidos a uma mudança na temperatura, uma variação do índice de refração devido ao efeito termo-óptico produz um deslocamento nos picos da atenuação, que podem ser previstos por simulações numéricas. Esta característica permite que estes dispositivos sejam usados como sensores termo-ópticos. Por outro lado, quando o filtro vertical e o filtro suspenso são submetidos a variações angulares entre a normal ao plano do filtro e o feixe de laser, uma variação na potência da luz de saída é produzida. Esta característica permite que estes dispositivos sejam usados como sensores angulares. / In this work, we present the simulation, fabrication and characterization of filters employing amorphous dielectric films deposited by Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) technique on crystalline silicon and Corning Glass (7059) substrates. The optical devices were fabricated using standard microelectronic processes and consisted of periodic layers with appropriated thickness and refractive indexes to produce transmittance attenuation peaks in the visible region. For this, previous numerical simulations were realized based in the optical parameters of the dielectric films. For the characterization of the optical interferential filters, a monochromatic light, a He-Ne laser, was projected onto the filters and the transmitted output light was then conducted to a detector. The optical filters were produced on Corning Glass (here called vertical filter) and on silicon substrates. The silicon substrate was etch in KOH solution to form cavities and suspend part of the filter (here called suspended filter). The vertical and suspended filters were mounted on thermo and angular devices that allowed the measurement of the optical power as a function of temperature and angle changes. A second type of filter deposited over a silicon substrate (here called horizontal filter) was mounted on thermoelectric device, in order to control the temperature responses. When the filters are submitted to a change in temperature, a variation of the refractive index is originated in the dielectric film due to the thermo-optic effect (TOE), producing a shift in the attenuation peaks, which can be well predicted by numerical simulations. This characteristic allows these devices to be used as thermo-optic sensors. On the other hand, when the vertical filter and the suspended filter were subjected to an angular shift between the filter\'s normal and the laser, a variation of the output optical power is originated. This characteristic allows these devices to be used as angular sensors.

Σκοπός της διπλωματικής είναι η κατασκευή συστήματος που θα δημιουργεί φασματική απεικόνιση αντικειμένων χρησιμοποιώντας μια απλή ψηφιακή φωτογραφική μηχανή και φίλτρα τα οποία θα εναλλάσσονται μπροστά στον φακό της μηχανής με την βοήθεια βηματικού κινητήρα. / The aim of the project is the construction of a system that creates spectral imaging objects using a simple digital camera and filters which rotates in front of the camera lens by means stepper motor.

Para a fabricação de filtros ópticos com característica espectral crítica, utiliza-se a tecnologia de filmes finos multicamadas, a qual exige o monitoramento e controle de espessura dos filmes com alta precisão. O sistema tradicional de monitoramento de espessura de filmes, baseado em cristal ressonante, não atende aos requisitos de precisão e repetibilidade do processo exigidos para a fabricação deste tipo de filtro. Já o monitoramento óptico, por sua vez, é um sistema que atende aos requisitos de fabricação destes filtros. Neste trabalho apresenta-se o desenvolvimento de um sistema automático de monitoramento óptico banda larga, para fabricação de filtros com filmes finos multicamadas, que se baseia na utilização de equipamentos ópticos de uso geral disponíveis no mercado. Para realizar análises de desempenho referentes exclusivamente ao algoritmo de automatização, um ambiente de simulação foi preparado, no qual os dados fornecidos pelo equipamento de aquisição de características ópticas durante a deposição efetiva foram substituídos por dados gerados por um algoritmo de simulação de crescimento do filme. Deste modo, o algoritmo de automatização e seus sistemas de segurança puderam ser exercitados. As simulações mostraram que o sistema proposto possui potencial para tornar mais preciso e repetitivo o processo de fabricação de filtros, de modo que atendam aos requisitos das aplicações especiais. / Optical filter manufacturing with critical spectral characteristics uses multilayer thin film technology, which demandas film thickness monitoring and control with high precision. Traditional monitoring systems based on oscillating crystal do not fulfill requirements of accuracy and process repeatability for manufacturing such type of filter. On the other hand, optical broadband monitoring system fulfills the manufacturing requirements to produce these filters. This work presents the development of a broadband optical monitoring system for multilayer thin film filters production, based on general optical equipment commercially available. In order to make the performance analysis related to automation algorithm, a simulation environment has been prepared, where the data supplied by optical data acquisition equipment has been replaced by simulating signals of film growing. Thus the automation algorithm and security systems could be worked. Simulations showed that the system has potential to improve the accuracy and repeatability of the manufacturing process so that the produced filters are able to fulfill the requirements of special applications.

Neste trabalho é apresentada a simulação, fabricação e caracterização de filtros interferenciais empregando películas dielétricas amorfas depositadas pela técnica de deposição a vapor assistida por plasma (PECVD) sobre substratos de silício e de Corning Glass (7059). Os dispositivos ópticos foram construídos usando-se processos padrões de microeletrônica e consistiram em camadas periódicas com espessura e índice de refração apropriados para produzir picos da atenuação na transmitância da luz na região visível. Simulações numéricas precedentes foram realizadas baseando-se nas características ópticas das películas dielétricas. Para a caracterização dos filtros interferenciais, uma luz monocromática de um laser de He-Ne, foi injetada nos filtros e a luz obtida na saída foi conduzida então a um detector. O filtro depositado sobre Corning Glass (chamado de filtro vertical) e o filtro depositado sobre silício com cavidades (chamado de filtro suspenso) foram montados sobre dispositivos térmicos e angulares de modo a medir suas respostas à variação angular e térmica. Também, o filtro depositado sobre silício (chamado de filtro horizontal) foi montado sobre um dispositivo térmico, a fim de medir sua resposta à temperatura. Quando os filtros são submetidos a uma mudança na temperatura, uma variação do índice de refração devido ao efeito termo-óptico produz um deslocamento nos picos da atenuação, que podem ser previstos por simulações numéricas. Esta característica permite que estes dispositivos sejam usados como sensores termo-ópticos. Por outro lado, quando o filtro vertical e o filtro suspenso são submetidos a variações angulares entre a normal ao plano do filtro e o feixe de laser, uma variação na potência da luz de saída é produzida. Esta característica permite que estes dispositivos sejam usados como sensores angulares. / In this work, we present the simulation, fabrication and characterization of filters employing amorphous dielectric films deposited by Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) technique on crystalline silicon and Corning Glass (7059) substrates. The optical devices were fabricated using standard microelectronic processes and consisted of periodic layers with appropriated thickness and refractive indexes to produce transmittance attenuation peaks in the visible region. For this, previous numerical simulations were realized based in the optical parameters of the dielectric films. For the characterization of the optical interferential filters, a monochromatic light, a He-Ne laser, was projected onto the filters and the transmitted output light was then conducted to a detector. The optical filters were produced on Corning Glass (here called vertical filter) and on silicon substrates. The silicon substrate was etch in KOH solution to form cavities and suspend part of the filter (here called suspended filter). The vertical and suspended filters were mounted on thermo and angular devices that allowed the measurement of the optical power as a function of temperature and angle changes. A second type of filter deposited over a silicon substrate (here called horizontal filter) was mounted on thermoelectric device, in order to control the temperature responses. When the filters are submitted to a change in temperature, a variation of the refractive index is originated in the dielectric film due to the thermo-optic effect (TOE), producing a shift in the attenuation peaks, which can be well predicted by numerical simulations. This characteristic allows these devices to be used as thermo-optic sensors. On the other hand, when the vertical filter and the suspended filter were subjected to an angular shift between the filter\'s normal and the laser, a variation of the output optical power is originated. This characteristic allows these devices to be used as angular sensors.

This report present a working model for simulation of what happens to colors displayed on screens when they are observed through optical filters. The results of the model can be used to visually, on one screen, simulate another screen with an applied optical filter. The model can also produce CIE color difference values for the simulated screen colors. The model is data driven and requires spectral measurements for at least the screen to be simulated and the physical filters that will be used. The model is divided into three separate modules or steps where each of the modules can be easily replaced by alternative implementations or solutions. Results from tests performed show that the model can be used for prototyping of optical filters even though the tests of the specific algorithms chosen show there is room for improvements in quality. There is nothing that indicates that future work with this model would not produce better quality in its results. / Denna rapport presenterar en fungerande modell för att optiskt simulera vad som händer med färger på bildskärmar då skärmarna betraktas genom optiska filter. Resultat från modellen består av information som kan användas för visuell simulering av en skärm med applicerat filter på en annan visande skärm. Förutom ren bilddata kan modellen även producera färgskillnadsvärden som kan härledas från CIE 1931 XYZ-koordinater. Modellen är datadriven och kräver initiala mätningar på minst den skärm som ska simuleras samt filter. Hela modellen är uppdelad i tre separata moduler eller steg där de olika delarna lätt kan bytas ut för alternativa algoritmer och lösningar. Resultat från undersökningar visar på att modellen går att använda för prototypning även om de, för arbetet specifikt, valda algoritmerna för de olika stegen i undersökningen visar på brister i kvalité. Det finns inget som visar att framtida arbete där andra algoritmer valts inte skulle kunna prestera ännu bättre resultat.