Capítulo 3 Técnica para o controle da diferença de freqüência
3.1 Função do Sistema de Estabilização e Controle
Esta seção visa apresentar algumas considerações importantes sobre o subsistema optoeletrônico dedicado ao controle e à estabilização da diferença de freqüência de emissão entre o campo óptico dos dois lasers interagentes no sensor utilizando o efeito Brillouin.
Como visto na seção 2.3, o sistema sensor Brillouin utiliza a dependência do desvio Brillouin de freqüência, com a temperatura e a deformação mecânica, para realizar as medidas destas grandezas. Quando a diferença de freqüência entre os dois campos ópticos é igual ao valor do desvio Brillouin de freqüência, observa-se a máxima amplificação ou atenuação devida à ocorrência do efeito.
No Apêndice B, mostra-se que o ganho Brillouin, parâmetro diretamente relacionado à eficiência do efeito Brillouin, pode ser aproximadamente descrito por uma distribuição de Lorentz tal que,
(
)
[
]
max 2 2 2 2 1 2 g b DB S P g b g f f f f f g b b ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∆ + − − ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∆ = (3.1)na qual fDB é o chamado desvio Brillouin de freqüência,
∆f
gb é a largura espectral do ganho Brillouin, é a freqüência do campo óptico de bombeio, é a freqüência do campo óptico de Stokes e é o ganho Brillouin máximo.P
f
f
Smax
b
g
Quando
(f
P−
f
S)=
f
DB tem-se que , nesta situação a amplificação, ou a atenuação, devidas ao efeito Brillouin apresentam suas máximas amplitudes. Observando que é linearmente dependente da temperatura e da deformação mecânica do meio de interação, a determinação da condiçãomax b b
g
g
=
DB f(f
P−
f
S)=
f
DB fornece ummeio para medir as grandezas citadas.
Algumas considerações importantes devem ser feitas para apreciar a finalidade do sistema de estabilização. Primeiro, como apresentado na seção 2.1, é aproximadamente 13GHz para a região de comprimento de onda na qual as fontes laser utilizadas emitem (em torno de 1319nm). Segundo, a largura espectral do ganho Brillouin é aproximadamente 60MHz. Terceiro, a dependência de com a temperatura é de aproximadamente 1,3MHz/ DB f gb
f
∆
fDB oC e com a deformação mecânica é de aproximadamente 0,06MHz/µε.
Assim, para a simples observação do efeito Brillouin, é necessário que . Esta é uma condição grosseira imposta pela largura espectral do
ganho Brillouin em uma rápida análise da equação (3.1). Deste modo, não deve possuir variações maiores que (em torno do valor de ), para que se mantenha a condição de sintonia do efeito.
(f
P−
f
S)~
f
DB±∆f
gb(f
P−
f
S)
)
)
gbf
∆
fDBPara a determinação de , através da posição espectral da máxima amplificação/atenuação Brillouin, o sistema sensor realiza a varredura ponto-a-ponto de
. Assim, grosso modo, para que a medida de proporcione uma incerteza de
1
DB
f
(f
P−
f
S fDBo
C, espera-se que
(f
P−
f
S possua uma incerteza tão pequena quanto 1,3MHz.Esta não é uma condição estritamente rigorosa, pois a determinação de não se baseia na medida de apenas um valor de
DB
f
(f
P−
f
S)
, no qual a amplificação/atenuação Brillouin é máxima. Na prática, determina-se pelo ajuste de uma curva que descreve o espectro de amplificação/atenuação Brillouin como função deDB
f
(f
P−
f
S)
. Por utilizar diversos pontos de medida, o ajuste diminui a incerteza na determinação de , relaxando a condição de estabilidade na freqüência dos campos ópticos interagentes.DB
f
Em função destas observações, vê-se a necessidade de controlar
(
)
para a realização da varredura espectral, a qual permite a obtenção do espectro de amplificação/atenuação Brillouin e, segundo, a necessidade de que sejaS
P
f
f
−
suficientemente estável, durante as medidas, para diminuir a incerteza na determinação de fDB.
A literatura, quase em sua totalidade, apresenta o uso de um sistema optoeletrônico dedicado à estabilização e controle de
(f
P−
f
S)
, baseado na observação do batimento óptico dos campos de bombeio e Stokes. O sistema é constituído por um detector óptico de banda larga, freqüência de corte maior que , em conjunto com um analisador de espectro de microondas, o qual mede diretamenteDB
f
(f
P−
f
S)
e, através desta medida, gera um sinal de controle para uma das fontes laser utilizadas. Esta técnica possui a grande vantagem de permitir uma medida absoluta de(f
P−
f
S)
, porém ao elevado custo de se utilizar equipamentos sofisticados e dispendiosos. Uma observação pouco comentada a respeito deste circuito de controle, é o elevado tempo necessário entre a medida de(
e a atuação em ou . Assim, esta técnica se limita a apresentar resultados expressivos apenas quando utilizada com fontes laser que apresentam excelente estabilidade na freqüência de emissão.)
S
P
f
f
−
fPf
SOutra técnica consiste em se utilizar apenas um laser para a geração dos dois campos ópticos, nesta técnica o campo óptico de Stokes é gerado através da modulação do campo de bombeio com uma portadora de freqüência igual à . Tal técnica se mostrou bastante eficiente, no entanto é extremamente dispendiosa visto a necessidade de se utilizar um modulador óptico de banda-larga em conjunto com um gerador de microondas sintonizável [52].
DB
f
Uma terceira técnica explora a possibilidade de se utilizar um laser Brillouin construído em fibra óptica [53,54]. Neste caso, o campo de Stokes é gerado espontaneamente pelo efeito Brillouin em uma cavidade ressonante em fibra. A variação da freqüência de emissão do campo de Stokes espontâneo é obtida pela variação da temperatura/deformação mecânica na cavidade laser. Trata-se de uma técnica simples, que, no entanto, exige potência de bombeio excedente para excitar a cavidade laser Brillouin e vincula a estabilidade de
(f
P−
f
S)
à estabilidade da temperatura/deformação mecânica da cavidade laser.A infra-estrutura experimental desta pesquisa contou com duas fontes laser, uma de cavidade Nd:Yag, com excelentes características de estabilidade na freqüência de emissão (Lightwave 125-1319-15), e outra, um diodo laser DFB acoplado em fibra e estabilizado termicamente (Newport LD1310-21B). Quando utilizadas em conjunto, estas fontes laser, apresentam alta instabilidade em
(f
P−
f
S)
, devido à instabilidade na freqüência de emissão do diodo laser DFB (vide discussão no Apêndice C).Em função desta instabilidade, procurou-se encontrar uma nova técnica destinada à estabilizar e controlar de modo eficiente