Observação experimental do espalhamento Raman espontâneo

A figura 5.8 apresenta a configuração experimental utilizada para observar a ocorrência do espalhamento Raman espontâneo, no sentido direto, em uma fibra óptica monomodo, tipo SMF28, com comprimento de onda de corte em 1064nm e diâmetro de

9µm.

Os pulsos ópticos de bombeio foram gerados por um laser de vapor de Cobre, emitindo em 510nm (luz verde no espectro visível) e 578nm (luz amarela no espectro visível). Esta fonte laser gera pulsos de luz com duração fixa de 40ns e uma taxa de repetição de aproximadamente 10kHz, a potência óptica máxima de um pulso pode alcançar 30kW. O diâmetro do feixe de luz emitido é de aproximadamente 3cm. Uma íris diminui o diâmetro do feixe, já colimado, antes que este incida na lente responsável por acoplar o feixe na fibra óptica.

Laser de Vapor de Cobre Monitor de Potência Óptica

λ

λ

λ

Figura 5.8: Configuração experimental para observação do espalhamento Raman direto. Para acoplar o campo de bombeio na fibra óptica, utilizou-se uma objetiva NewPort M-5X, com fL~25,4mm e NA=0.1.

O comprimento da fibra óptica utilizada foi de aproximadamente 20m. A observação da luz emergindo na extremidade B não foi realizada no mesmo laboratório onde se encontrava o laser de vapor de cobre. A potência média do feixe óptico antes deste passar pela lente L1 é aproximadamente 4W, o que implica em pulsos com uma potência máxima de 10kW.

A potência óptica saindo pela porta B foi medida como sendo aproximadamente

40mW, equivalente a pulsos com uma potência máxima de 100W. A elevada perda

observada é justificada por dois fatores principais, o primeiro constitui a elevada atenuação óptica para comprimentos de onda no visível e o segundo se deve às perdas no acoplamento da luz na fibra óptica.

Para o comprimento de onda emitido pelo laser de vapor de cobre, um valor aproximado para a atenuação óptica seria,

α(510nm)~0,002m

No acoplamento da luz na fibra óptica, as perdas são devidas primariamente aos erros de alinhamento, entre o foco de luz e o núcleo da fibra óptica; secundariamente, a interface fibra/ar apresenta uma perda por reflexão de aproximadamente 2%; por fim, a imagem focal da lente utilizada pode possuir um diâmetro maior que o núcleo da fibra,

acarretando uma perda pela limitação da área luminosa efetivamente acoplada. Em geral, as perdas por acoplamento espacial, em fibras monomodo, são maiores que 50%.

A luz emergindo pela extremidade B da fibra óptica, foi colimada com o auxílio de uma lente Newport M-5X (igual a lente utilizada para o acoplamento). O feixe colimado foi direcionado a uma grade de difração refletiva, Jobin-Yvon 524-03-070, com

2400linhas/mm. A grade de difração foi montada sobre um suporte de rotação com

precisão de 1’. O feixe difratado foi observado com o auxílio de um detector óptico não calibrado, cuja posição se manteve fixa durante as medidas.

A figura 5.9a apresenta uma foto da luz difratada na ausência do efeito Raman, nota-se apenas a presença das componentes de emissão do laser de bombeio. Com a ocorrência do efeito Raman, figura 5.9b, diversas componentes espectrais aparecem não somente em função do efeito Raman, como também em função do Four Wave Mixing, que representa a interação paramétrica entre dois ou mais campos presentes no meio de propagação [14]. A inclinação observada é devido ao ângulo, da câmera, no qual as fotos foram realizadas. λ=510nm λ=578nm λ=510nm λ=578nm (a) (b)

Figura 5.9: (a) Foto dos campos difratados sem a ocorrência do espalhamento Raman. (b) Foto da luz difratada com a ocorrência do efeito Raman.

Com a rotação da grade de difração diferentes comprimentos de onda são direcionados ao detector. Assumindo uma relação aproximadamente linear entre o ângulo de rotação e o comprimento de onda selecionado, pode-se utilizar a localização das duas linhas de emissão do laser de vapor de cobre para calibrar o comprimento de onda das medidas realizadas.

A figura 5.10 apresenta o espectro da luz emergindo na extremidade B da fibra óptica, na ocorrência do espalhamento Raman espontâneo. Pode-se notar a presença de diversas componentes espectrais além das raias de emissão do laser de vapor de cobre. Além disso, o espectro apresentado mostra uma quantidade substancialmente maior de componentes espectrais que a observada na figura 5.9b, isto pois o acoplamento do feixe na fibra óptica maximizou a potência de inserção do campo de bombeio, levando a ocorrência em maior intensidade do efeito Raman.

A figura 5.10 destaca as componentes da luz de bombeio e os respectivos campos de Stokes estimulados pela ocorrência do efeito Raman. Em relação à linha de emissão

no amarelo, λ=578nm, pode-se observar também o aparecimento da componente anti-

Stokes. A tabela 5.1 resume as componentes espectrais relevantes.

500 510 520 530 540 550 560 570 580 590 600 610 1 10 100 1000 10000 567nm 589nm 578nm 521nm 510nm ID [ nA ] Comprimento de Onda [ nm ]

Figura 5.10: Espectro experimental do espalhamento Raman direto. Bombeio Stokes Anti-Stokes λP = 510nm 521nm -x-x-x-

λP = 578nm 589nm 567nm

Tabela 5.1

A seguinte expressão permite estimar a freqüência de ressonância Raman,

⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = S P R c

λ

λ

ν

Assim, utilizando o campo de Stokes relativo à componente λP = 510nm, é possível

estimar que a freqüência de ressonância Raman da fibra óptica utilizada é aproximadamente igual à 12,4THz.

Capítulo 6

Conclusão

O presente trabalho objetivou a pesquisa aplicada na área de sensores distribuídos, utilizando efeitos não lineares em fibras ópticas, visando a sua utilização em estruturas inteligentes. O tema da pesquisa se constitui em uma linha de pesquisa ativa nas instituições envolvidas com o trabalho e representa uma área de estudo rica em aplicações estratégicas com alto valor agregado, tanto tecnologicamente quanto comercialmente.

O principal conceito envolvido na tecnologia proposta reside na utilização de uma característica intrínseca da fibra óptica, no caso o efeito óptico não-linear, para inferir indiretamente a distribuição espacial da grandeza de interesse ao longo da fibra óptica. Deve-se observar a ausência da construção de qualquer dispositivo sensor individual e a total liberdade de se espalhar/anexar a fibra sensora, com comprimentos superiores a 2km, a uma estrutura que se deseje monitorar.

Dois efeitos ópticos não lineares foram escolhidos para o estudo, o espalhamento Brillouin estimulado e o espalhamento Raman espontâneo. Ambos efeitos já são objeto de estudo na literatura pertinente e constituem alternativas viáveis para o desenvolvimento dos sensores propostos.

O efeito Brillouin possui características que o torna sensível tanto à temperatura quanto à deformação mecânica do meio de interação. Tal sensibilidade é comum para ambas grandezas, de tal modo que uma variação em uma grandeza pode ser confundida com a variação da outra grandeza. Para que este efeito torne-se útil, é necessário um método capaz de isolar a medida de pelo menos uma das grandezas, permitindo a determinação da outra. Precisamente neste ponto, propõe-se o uso do efeito Raman, o qual apresenta características que o torna sensível apenas à temperatura absoluta do meio de interação. Assim, o efeito Raman permitiria a obtenção da temperatura e estas medidas, quando combinado com as obtidas pelo efeito Brillouin, possibilitariam a determinação da deformação mecânica do meio de interação.

As diferenças de cada um dos efeitos representa um obstáculo para a integração de ambos em uma mesma fibra óptica sensora. Este trabalho procurou não só apresentar contribuições para o desenvolvimento da tecnologia proposta, mas também indicar direções para a continuidade das pesquisas na área. Neste sentido, acredita-se que a presente tese desempenhou sua função corretamente.

Esta conclusão se inicia com uma proposta de configuração experimental para o desenvolvimento de um sistema sensor utilizando ambos efeitos ópticos não-lineares. Segue-se então uma revisão crítica dos resultados obtidos, terminando com uma série de sugestões para a continuidade da pesquisa.