Fiber inline pressure and acoustic sensor fabricated with femtosecond laser

Pressure and acoustic measurements are required in many industrial applications such as down-hole oil well monitoring, structural heath monitoring, engine monitoring, study of aerodynamics, etc. Conventional sensors are difficult to apply due to the high temperature, electromagnetic-interference noise and limited space in such environments. Fiber optic sensors have been developed since the last century and have proved themselves good candidates in such harsh environment. This dissertation aims to design, develop and demonstrate miniaturized fiber pressure/acoustic sensors for harsh environment applications through femtosecond laser fabrication. Working towards this objective, the dissertation explored two types of fiber inline microsensors fabricated by femtosecond laser: an extrinsic Fabry-Perot interferometric (EFPI) sensor with silica diaphragm for pressure/acoustic sensing, and an intrinisic Fabry-Perot interferometer (IFPI) for temperature sensing. The scope of the dissertation work consists of device design, device modeling/simulation, laser fabrication system setups, signal processing method development and sensor performance evaluation and demonstration. This research work provides theoretical and experimental evidences that the femtosecond laser fabrication technique is a valid tool to fabricate miniaturized fiber optic pressure and temperature sensors which possess advantages over currently developed sensors --Abstract, page iii

Micro-/Nano-Fiber Sensors and Optical Integration Devices

The development of micro/nanofiber sensors and associated integrated systems is a major project spanning photonics, engineering, and materials science, and has become a key academic research trend. During the development of miniature optical sensors, different materials and micro/nanostructures have been reasonably designed and functionalized on the ordinary single-mode optical fibers. The combination of various special optical fibers and new micro/nanomaterials has greatly improved the performance of the sensors. In terms of optical integration, micro/nanofibers play roles in independent and movable optical waveguide devices, and can be conveniently integrated into two-dimensional chips to realize the efficient transmission and information exchange of optical signals based on optical evanescent field coupling technology. In terms of systematic integration, the unique optical transmission mode of optical fiber has shown great potential in the array and networking of multiple sensor units.In this book, more than ten research papers were collected and studied, presenting research on optical micro/nanofiber devices and related integrated systems, covering high-performance optical micro/nanofiber sensors, fine characterization technologies for optical micro/nanostructures, weak signal detection technologies in photonic structures, as well as fiber-assisted highly integrated optical detection systems

Multichannel instrumentation system with optical fiber heterodyne interferometer: application to the detection and localization of ultrasound acoustic emissions generated by partial discharges

Mención Internacional en el título de doctorLa monitorización en línea de los transformadores resulta imprescindible para garantizar su funcionamiento seguro y estable. Para este propósito, uno de los métodos más fiables es la observación de la actividad de descargas parciales. Éstas son un tipo de descargas producidas por rupturas localizadas en el aislamiento eléctrico que lo cortocircuitan parcialmente. Su actividad está involucrada en el proceso de degradación del sistema de aislamiento y proporciona información acerca del estado interno de los transformadores, la cual se utiliza para su mantenimiento predictivo y diagnóstico. Las descargas parciales generan emisiones de ultrasonidos que se utilizan para medir su actividad mediante técnicas acústicas. De este modo, un fallo en el aislamiento se manifiesta como una fuente de emisión acústica. La monitorización acústica de descargas parciales no sólo detecta la actividad, sino que además aprovecha este comportamiento para localizar los fallos, siempre y cuando se utilicen varios sensores espacialmente distribuidos. Para ello es imprescindible disponer de sistemas de instrumentación multicanal capaces de obtener medidas de los tiempos de llegada de las señales acústicas a los múltiples sensores y de utilizarlas en un algoritmo de localización para encontrar las posiciones de las fuentes de emisión acústica. La monitorización acústica de descargas parciales se realiza normalmente con sensores piezoeléctricos colocados en las paredes del tanque del transformador. Sin embargo, este método presenta inconvenientes derivados de que la instalación de los sensores en el exterior: las señales detectadas son débiles y están distorsionadas. Además, se producen múltiples caminos de llegada de las señales acústicas a los sensores y reflexiones en las paredes del tanque, lo cual dificulta la localización de descargas parciales. Con el fin de evitar estos inconvenientes, en la última década se han propuesto nuevos sensores que pueden instalarse en el interior del tanque del transformador. Estos sensores emplean tecnología de fibra óptica para poder soportar las condiciones que se presentan en dicho entorno. Se han propuesto varios tipos: sensores basados en cavidades Fabry-Perot, sensores interferométricos de fibra óptica y sensores basados en redes de Bragg en fibra. Con el desarrollo de estos sensores internos de fibra óptica también se ha despertado un interés creciente en investigar nuevos sistemas de instrumentación multicanal para detectar y localizar las descargas parciales con sensores de fibra óptica. Esta tesis está dedicada a ambos temas. El primer aporte principal es el diseño y desarrollo de un sistema de instrumentación interferométrico multicanal para la monitorización acústica de descargas parciales y su localización usando sensores de fibra óptica. El diseño del sistema multicanal está basado en un interferómetro heterodino de fibra óptica siguiendo un esquema de Mach-Zehnder con múltiples brazos de medida en paralelo y un brazo de referencia común. Este sistema interferométrico multiplexado se ha demostrado con una implementación de cuatro canales en la que se obtiene muy alta resolución en la medida de presión acústica de ultrasonidos (1 Pa @ 150 kHz). También se ha demostrado experimentalmente la capacidad que tiene para localizar las fuentes de emisión acústica por medio de la medida simultánea con varios sensores. Adicionalmente, en estos experimentos de localización se ha añadido ruido sintético a la medida de los tiempos de llegada con el fin de evaluar las prestaciones del sistema. En los resultados de localización se obtiene la posición de la fuente de emisión acústica con una desviación típica menor que 1 cm en cada uno de los ejes (~1% de la dimensión normalizada del tanque). El segundo aporte principal es la investigación sobre una nueva sonda de fibra óptica y su desarrollo, la cual es capaz de medir descargas parciales acústicamente en el interior y es compatible con el sistema interferométrico multicanal. El diseño de la cabeza del sensor está basado en una bobina de fibra óptica compuesta por múltiples capas. Este diseño es compacto, robusto y de bajo coste. Se obtuvo una sensibilidad adecuada para la detección acústica de descargas parciales utilizando 17 m de fibra dispuestos en una bobina con 5 capas. La sonda de fibra óptica, junto con el interferómetro heterodino, tiene la capacidad de detectar las emisiones acústicas generadas por descargas parciales a 150 kHz con una resolución de 1 Pa dentro de un rango de 17 kPa. Se ha realizado una caracterización completa de la sonda de fibra óptica en una plataforma diseñada para ensayos acústicos de ultrasonido, en la cual se pueden reproducir emisiones acústicas con características similares a las generadas por las descargas parciales. También se ha caracterizado la sonda de fibra óptica en experimentos de alta tensión, en los cuales se han generado diversos tipos de descargas parciales en aceite de transformador y bajo diferentes condiciones. En estos experimentos se midió con la sonda en instalaciones eléctricas de alta tensión en AC, con descargas parciales internas y superficiales, y también en instalaciones eléctricas de alta tensión DC. Por lo tanto, se ha demostrado su efectividad para detectar descargas parciales en un rango amplio de condiciones. Es importante resaltar que en los experimentos de alta tensión se demostró por primera vez la detección acústica de descargas parciales internas con un sensor de fibra óptica.On-line monitoring of power transformers is essential to guarantee their stable and safe operation. Partial discharges monitoring is one of the reliable methods used for this purpose. Partial discharges are local electrical breakdowns that only partially break the insulation. Their activity is involved in the degradation process of the transformers and provides information about the internal conditions of the insulation system, which is used for the diagnosis of power transformers. Partial discharges generate ultrasound acoustic emissions that are used for the acoustic measurement of their activity. In other words, a fault in the insulation behaves as a localized acoustic emission source. The acoustic monitoring of partial discharges exploits this characteristic in order to localize faults in the insulation system. The localization of partial discharges is only possible using a multichannel system able to obtain the times of arrival of the acoustic signals at the multiple sensors and use them in a computational localization algorithm. The conventional acoustic monitoring of partial discharges is done with piezoelectric sensors mounted on the transformer tank walls. However, the method suffers from some problems due to the external installation of the sensors. The detected signals are weak and distorted. There are multiple paths to the sensors and reflections at the tank walls. In the last decade, new sensors have been proposed for their internal installation within the transformer tank in order to avoid such problems. These sensors use optical fiber technology to withstand the harsh environment inside the transformers. A variety of them have been proposed: sensors based on Fabry-Perot cavities, fiber-optic interferometric sensors and sensors based on fiber Bragg gratings. With the development of these fiberoptic internal sensors a new research interest has also arisen about the development of new multichannel instrumentation systems for the localization of partial discharges using fiber-optic sensors. This dissertation is devoted to these both topics. A major contribution is the design and development of a multichannel interferometric instrumentation system for acoustic monitoring of partial discharges and their localization by using fiber-optic sensors. The design of the multichannel system is based on a fiber-optic heterodyne interferometer that is configured as a Mach-Zehnder scheme with multiple sensing arms in parallel and a common reference arm. This interferometric multiplexing system has been demonstrated with four channels in which a high resolution is obtained in the measurement of acoustic pressure (1 Pa @ 150 kHz). The capability of this system for localizing the acoustic emission sources by means of the simultaneous measurement with multiple sensors has also been demonstrated experimentally. In addition, in these experiments synthetic noise was added to the measurements of the times of arrival in order to evaluate the performance of the system. The results of the acoustic source localization show a standard deviation better than 1 cm in each axis (~1% of the normalized dimension of the tank). The second major contribution is the research and development of a fiber-optic probe, compatible with the multichannel interferometric system. The design of the fiberoptic sensing head is based on a coil of optical fiber with multiple layers. It is compact, rugged and cost-effective. An adequate sensitivity was achieved with 17 m of fiber disposed in a coil with 5 layers. Combined with the heterodyne interferometer the fiberoptic interferometric sensor is able to detect the acoustic emission of partial discharges at 150 kHz with resolution of 1 Pa in a range of up to 17 kPa. The complete characterization of the fiber-optic probe was performed in an acoustic test bench that was designed for ultrasound tests with acoustic emissions that reproduce the characteristics of those generated by partial discharges. The fiber-optic sensing probe has also been characterized in high voltage experiments, where different types of partial discharges were generated in transformer oil and in different conditions. It was tested in high voltage AC setups, with internal partial discharges, with surface partial discharges, and also in high voltage DC setups, thus its effectiveness for detecting partial discharges under a wide range of conditions was demonstrated. It is worth mentioning that the acoustic detection of internal partial discharges in a transformer with a fiber-optic sensor was demonstrated for the first time.El presente trabajo de investigación ha sido financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación dentro del proyecto coordinado “Sistema de instrumentación multicanal para la medida de descargas parciales en campo mediante la integración de sensores acústicos y eléctricos. Aplicación a su localización y análisis en transformadores de alta potencia,” (DPI2009-14628-C03-0, coordinador Prof. José Antonio García Souto), y el subproyecto “Interferómetro multicanal con fibra óptica para medida de descargas parciales en el interior de transformadores. Nueva instrumentación de ultrasonidos para detección y localización continua en campo,” (No. DPI2009-14628-C03-01, I.P. Prof. José Antonio García Souto). Las medidas acústicas de DP en experimentos con HVAC fueron realizadas en el Laboratorio de Investigación y Ensayos en Alta Tensión (LINEALT) de la Universidad Carlos III de Madrid, en colaboración con el Grupo de diagnóstico de máquinas eléctricas y materiales aislantes (DIAMAT), Departamento de Ingeniería Eléctrica, dentro del contexto del proyecto coordinado (DPI2009-14628-C03-0). Las medidas acústicas de DP en experimentos con HVDC fueron realizadas en colaboración con el Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Bolonia. Estas fueron llevadas a cabo durante una estancia de investigación de I. Búa-Núñez y una visita corta del autor, bajo la supervisión del Prof. Andrea Cavallini en 2013. En colaboración con INESC – Porto, Portugal, durante una estancia de investigación del autor en 2013, bajo la supervisión del Prof. José Luis Santos se realizó una investigación enfocada en los sistemas rápidos de interrogación de sensores FBG para la medida de ultrasonidos. En colaboración con el Applied Optics Group de University of Kent, UK, bajo la supervisión del Prof. David A. Jackson y durante una estancia de investigación de tres meses realizada por el autor en 2014, se realizó una investigación enfocada al desarrollo de un interferómetro heterodino de FO para la medida simultánea con cuatro canales.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: José Miguel López Higuera.- Secretario: María Carmen Vázquez García.- Vocal: Brian Culsha

Multichannel instrumentation with implementation of denoising techniques and on-line processing for ultrasound detection: application to the localization of acoustic emissions from partial discharges

Mención Internacional en el título de doctorEsta tesis contiene artículos de investigación en anexoLa medida de descargas parciales (Partial Discharges - PD) es un indicador muy fiable de la degradación del aislamiento eléctrico. Por esta razón, resulta muy interesante la monitorización de dicha actividad con el objetivo de analizar equipos eléctricos de alta tensión, tales como los transformadores, y de estudiar su probabilidad de fallo. En este sentido, se han desarrollado nuevas tecnologías para la detección de PDs, las cuales incorporan técnicas digitales de procesado de señal (filtrado digital, wavelets, etc.). Dentro de los métodos de detección de PDs en transformadores, la detección acústica posee grandes ventajas en términos de inmunidad a interferencias electromagnéticas y por su más fácil instalación en campo. Para la detección acústica se usan típicamente sensores ultrasónicos piezoeléctricos (PZT), que van ubicados externamente en las paredes del tanque del transformador y distribuidos para proporcionar información sobre la localización de la fuente de PDs. El proceso de localización de la fuente de emisión se puede aplicar sobre la base de los tiempos de llegada (Times Of Arrival – TOAs) de las emisiones acústicas (Acoustic Emissions – AEs) a los sensores. En la actualidad, se están desarrollando otros sensores que utilizan fibra óptica (Optical Fiber – OF). Estos sensores van inmersos en el medio aislante, lo que permite detectar una señal acústica más intensa, libre de interferencias por múltiple trayectoria y con una mejor relación señal a ruido. En este trabajo de investigación, se propone un sistema de instrumentación multicanal para la detección y la localización de AEs de PDs basado en la utilización combinada de sensores intrínsecos de OF internos y sensores PZT externos. Este sistema posee bloques hardware específicos de acondicionamiento y adquisición de señales acústicas en plataformas PXI y varios bloques software para la detección y localización de señales acústicas. Para la implementación del software, se proponen dos tipos de arquitecturas. La primera de ellas es una arquitectura simple que utiliza sólo instrumentos virtuales (Virtual Instruments – VIs) para implementar todas las etapas y operaciones en LabVIEW. Esta arquitectura incluye bloques software de adquisición, detección y reducción de ruido (denoising). Se han adaptado diferentes técnicas de reducción de ruido procedentes de las utilizadas para medidas eléctricas de PDs y se han implementado para medidas acústicas. Las más útiles son el filtrado wavelet junto con una implementación digital de filtros recomendados en el estándar (WT + IEEE FILTER). Este sistema de procesamiento obtiene mejoras significativas en ambientes ruidosos con señales débiles, lo que permite reducir el umbral de detección en un orden de magnitud y mejorar la precisión en la medida de los TOAs, que son la base del proceso de localización. Este hecho se ha demostrado experimentalmente con el sistema desarrollado. Esta primera arquitectura integra como etapa de localización una basada en VIs, la cual implementa diferentes estrategias de trilateración para averiguar la posición de la fuente de emisión acústica (Acoustic Emission Source – AES) a partir de la información de los TOAs. El primer enfoque tiene dos pasos de refinamiento progresivo con el fin de reducir el tiempo de cómputo, pero obteniendo al mismo tiempo, una buena resolución espacial. En primer lugar, se realiza una localización gruesa en dm y en segundo lugar, se completa una localización más fina en cm limitada a la región que conforma la solución del primer paso. Con el fin de mejorar la relación entre las prestaciones y el coste computacional y la complejidad del sistema se implementó un segundo enfoque. Éste se basa en patrones de diferencias de tiempos, los cuales se calculan para cada posición del transformador y se almacenan en tablas de búsqueda. La posición de la fuente se obtiene al comparar el vector de diferencias de tiempos medido con las tablas de diferencias de tiempos que mapean espacialmente el transformador. La segunda arquitectura es híbrida, combina dos herramientas de programación (LabVIEW - Matlab) con el fin de mejorar el rendimiento del sistema. La comunicación entre ambas partes se realiza mediante un protocolo de transferencia de paquetes (Transmission Control Protocol / Internet Protocol – TCP / IP). El sistema está divido en dos partes claramente diferenciadas. La primera de ellas es un diseño inspirado en VIs y realiza los procesos de adquisición, reducción de ruido y detección. Como parte de este procesamiento se obtienen los TOAs y se transfieren a la siguiente parte. La segunda parte está programada en Matlab y se dedica a la localización de la AES. Resuelve el sistema de ecuaciones de trilateración para un modelo 3D de localización. En ella se implementan y se compararon varias estrategias: el Método Solve, el Método de Mínimos Cuadrados, el Método de Mínimos Normalizados, el Método de Cramer, el Método No-Iterativo Indirecto y el Método de Optimización por Nube de Partículas. Adicionalmente, se ha instalado el sistema en un esquema de monitorización de PDs en condiciones reales de alta tensión en AC (HVAC) y en DC (HVDC). Es importante mencionar que la caracterización del aislamiento en estos sistemas HVAC-DC representa un desafío para la red actual de transporte de energía eléctrica y este sistema de monitorización de PDs proporciona una herramienta que está a la vanguardia en este campo de investigación ya que incluye detección acústica, sensores de fibra óptica y localización de la fuente de PDs.The measurement of partial discharges (PD) is a very reliable indicator of the degradation of the electrical insulation. For this reason, it is very interesting to monitor this activity with the aim of analyzing high-voltage electrical equipment such as transformers, and to study the probability of failure. In this sense, new technologies have been developed for the detection of PD, which incorporate digital techniques of signal processing (digital filtering, wavelets, etc.). Among the methods of PD detection in transformers, the acoustic detection has great advantages in terms of immunity to electromagnetic interference and easier installation in the field. Ultrasonic piezoelectric sensors (PZT) are typically used for the acoustic detection, which are located externally on the transformer tank walls and distributed to provide information about the location of the PD source. A localization process can be applied based on the times of arrival (TOA) of the acoustic emissions (AE) to the sensors. Currently, other sensors that use optical fiber (OF) are being developed. These sensors are immersed in the insulating medium, thus they detect more intense sound signals, free of interference from the multipath and with better signal to noise ratio. In this research work, a multichannel instrumentation system for the detection and the localization of AE from PD is proposed on the base of using together internal OF intrinsic sensors and external ultrasonic PZT sensors. This system has specific hardware blocks of acoustic signal conditioning and acquisition on PXI platforms and several software blocks for detecting and locating the acoustic signals. For implementing the software, two types of architectures are proposed in this work. The first one is a single architecture that utilizes only virtual instruments (VI) to implement all the stages and operations in LabVIEW. This architecture includes software blocks of acquisition, detection and noise reduction (denoising). Different techniques were adapted from electrical PD denoising and implemented for the acoustic measurements; the most useful are a wavelet filtering plus a digital implementation of the filters recommended in the standard (WT + IEEE FILTER). This denoising system obtains significant improvements in noisy environments with weak signals, allowing to reduce the detection threshold one order of magnitude and to improve the precision in the determination of the TOA, which is the base of the accuracy in the localization process. These were experimentally characterized with the developed system. The architecture integrates a location stage in the VI structure and different trilateration strategies are implemented to find out the position of the acoustic emission source (AES) through the TOA. The first approach is divided into two parts of progressive refinement to reduce the computational time, but obtaining an adequate spatial resolution. First, a coarse location is performed in dm and second, a finer location in cm is obtained within the solution of the first part. In order to improve the ratio of performance over computation + complexity costs a second approach was implemented. This is based on time-differences patterns that are formed for each position in the transformer by mapping the internal structure and dimensions of the transformer as lookup tables. The source is located by comparing the measured time-differences vector with the time-differences lookup tables. The second architecture is hybrid, which combines two programming tools (LabVIEW – Matlab) in order to improve the performance of the system. The communication between both tools is through a packet transfer protocol (Transmission Control Protocol / Internet Protocol - TCP/IP). The system is divided in two parts: the first is a VI inspired design and is devoted to the processes of acquisition, denoising and detection. As part of this processing the TOA are obtained and they are transferred to the next part. The second part is programmed in Matlab and it is dedicated to locating the AES. It solves the equations system of trilateration for a 3D model of localization. Several strategies are implemented and compared: the Solve Method, the Least Squares Method, the Least Norm Method, the Method of Cramer, the Indirect Non-Iterative Method and the Particle Swarm Optimization Method. Additionally, the system was installed for monitoring experiments of PDs in real conditions of High Voltage Alternating Current (HVAC) and High Voltage Direct Current (HVDC). It is worth to mention that the characterization of the insulation in these high-voltage AC-DC systems is a challenge for the transportation network and this PD monitoring system provides a state-of-the-art tool for this purpose by combining acoustic detection, optical fiber sensing and localization of the source of PD.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: Pablo Acedo Gallardo.- Secretario: Romano Giannetti.- Vocal: José Tomás Ramírez Niñ

Optics and Quantum Electronics

Contains table of contents for Section 3 and reports on eighteen research projects.Defense Advanced Research Projects Agency/MIT Lincoln Laboratory Contract MDA972-92-J-1038Joint Services Electronics Program Grant DAAH04-95-1-0038National Science Foundation Grant ECS 94-23737U.S. Air Force - Office of Scientific Research Contract F49620-95-1-0221U.S. Navy - Office of Naval Research Grant N00014-95-1-0715MIT Center for Material Science and EngineeringNational Center for Integrated Photonics Technology Contract DMR 94-00334National Center for Integrated Photonics TechnologyU.S. Navy - Office of Naval Research (MFEL) Contract N00014-94-1-0717National Institutes of Health Grant 9-R01-EY11289MIT Lincoln Laboratory Contract BX-5098Electric Power Research Institute Contract RP3170-25ENEC

Sensores de fibra ótica para meios desafiantes

With the present work, the development of fiber optic sensor solutions for the application in challenging media was intended. New sensor structures based on the post-processing of optical fibers were addressed, taking into account their sensitivity to variations in the external environment. In a first stage, fiber Bragg gratings were embedded in lithium batteries, to monitor temperature in situ and operando. Due to the harsh chemical environment of the battery, fiber optic sensors revealed to be the most advantageous alternative, when comparing to the electronic sensors. Fiber sensors exhibited good sensitivities and fast responses, besides being less invasive, thus they did not compromise the battery response. Furthermore, they were chemically stable. Still in the framework of this theme, and with the objective of monitoring possible strain and pressure variations inside the batteries, new sensors based on in-line Fabry-Perot cavities have been proposed. These sensors were characterized in lateral load, strain, and temperature. In a later stage, the study focused on the development of configurations that allowed to obtain high-resolution and/or sensitivity sensors. One of such configurations was obtained by creating a hollow microsphere at the fiber tip. The sensor was used to detected concentration variations and refractive index of glycerin and water mixtures. The influence of the diaphragm size in the sensor response was also studied, as well as the temperature response. New sensors based on multimode interference have also been characterized, using a coreless silica fiber tip. First, the influence of different parameters, such as length and diameters were analyzed. The sensors were tested in different solutions of glucose and water. It was observed that the sensor diameter is a decisive factor in obtaining devices that are more sensitive to refractive index and, consequently, to concentration. The determination of the thermo-optic coefficient of water/ethanol mixtures was also addressed using a multimode fiber interferometer sensor. Finally, a multimode interferometer sensor was functionalized by depositing agarose throughout the structure, allowing to optimize the response of the sensors to the external environment.Com o presente trabalho pretendeu-se explorar soluções de sensores em fibra ótica para a aplicação em meios desafiantes. Novas estruturas sensoras baseadas em pós-processamento de fibra ótica foram abordadas, tendo em consideração a sua sensibilidade a variações do meio externo. Numa primeira etapa, foram embebidas redes de Bragg no interior de baterias de lítio, para monitorizar variações de temperatura in situ e operando. Devido ao complexo meio químico da bateria, os sensores em fibra ótica revelaram ser uma alternativa mais vantajosa em relação aos sensores elétricos, não só pela sensibilidade e rápida resposta, mas também pelo fato de não afetarem o desempenho da bateria. Além disso, os sensores usados revelaram ser pouco invasivos e quimicamente estáveis. Ainda no âmbito deste tema, e com o objetivo de monitorizar possíveis deformações e variações de pressão no interior da bateria de lítio, foram desenvolvidos novos sensores baseados em cavidades de Fabry-Perot do tipo in-line. Esses sensores foram caraterizados em pressão lateral, deformação e temperatura. Numa fase posterior, o estudo centrou-se no desenvolvimento de configurações que permitissem a obtenção de sensores com elevada resolução e/ou sensibilidade. Uma das configurações consistiu na formação de uma microesfera oca na ponta de uma fibra ótica. Esse sensor foi utilizado para detetar variações de concentração e índice de refração de misturas de glicerina e água. A influência do tamanho do diafragma na resposta do sensor também foi estudada, assim como a resposta em temperatura. Em seguida, desenvolveram-se novos sensores baseados em interferência multimodo, utilizando para tal uma ponta de fibra de sílica sem núcleo. Numa primeira abordagem analisou-se a influência de diferentes parâmetros, como o comprimento e o diâmetro dos sensores. Os sensores foram expostos a diferentes soluções de glucose e água. Verificou-se que o diâmetro do sensor é um fator decisivo para a obtenção de dispositivos mais sensíveis ao índice de refração e, consequentemente, à concentração. Foi também desenvolvido um sensor baseado em interferência multimodo que permitiu determinar o coeficiente termo-ótico de misturas de etanol e água. Por fim, procedeu-se à funcionalização de um sensor baseado em interferência multimodo através da deposição de agarose ao longo da estrutura, permitindo assim otimizar a sua resposta a variações do meio externo.Programa Doutoral em Engenharia Físic

Recent Progress in Optical Fiber Research

This book presents a comprehensive account of the recent progress in optical fiber research. It consists of four sections with 20 chapters covering the topics of nonlinear and polarisation effects in optical fibers, photonic crystal fibers and new applications for optical fibers. Section 1 reviews nonlinear effects in optical fibers in terms of theoretical analysis, experiments and applications. Section 2 presents polarization mode dispersion, chromatic dispersion and polarization dependent losses in optical fibers, fiber birefringence effects and spun fibers. Section 3 and 4 cover the topics of photonic crystal fibers and a new trend of optical fiber applications. Edited by three scientists with wide knowledge and experience in the field of fiber optics and photonics, the book brings together leading academics and practitioners in a comprehensive and incisive treatment of the subject. This is an essential point of reference for researchers working and teaching in optical fiber technologies, and for industrial users who need to be aware of current developments in optical fiber research areas