Redes de Bragg para medições em altas temperaturas

Texto

(1)UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA E INFORMÁTICA INDUSTRIAL. VALMIR DE OLIVEIRA. REDES DE BRAGG PARA MEDIÇÕES EM ALTAS TEMPERATURAS. TESE DE DOUTORADO. Curitiba 2012.

(2) VALMIR DE OLIVEIRA. REDES DE BRAGG PARA MEDIÇÕES EM ALTAS TEMPERATURAS. Tese de doutorado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, como requisito parcial para obtenção do título de Doutor em Ciências – Área de Concentração: Fotônica em Engenharia. Orientador: Prof. Dr. Hypolito José Kalinowski Coorientador: Profª. Dr. Marcia Muller. Curitiba 2012.

(3) Dados Internacionais de Catalogação na Publicação O48. Oliveira, Valmir de Redes de Bragg para medições em altas temperaturas / Valmir de Oliveira. — 2012. 137 p. : il. ; 30 cm Orientador: Hypolito José Kalinowski. Coorientador: Marcia Muller. Tese (Doutorado) – Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de Pósgraduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial. Curitiba, 2012. Bibliografia: p. 129-132. 1. Redes de Bragg – Tratamento térmico. 2. Fibras óticas. 3. Detectores de fibra óptica. 4. Engenharia elétrica – Teses. I. Kalinowski, Hypolito José, orient. II. Muller, Marcia, coorient. III. Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial. IV. Título. CDD (22. ed.) 621.3. Biblioteca Central da UTFPR, Campus Curitiba.

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(5) À minha esposa Marli e aos meus filhos Henrique e João Pedro, o que possuo de mais importante..

(6) AGRADECIMENTOS À Capes, CNPq, FINEP e Fundação Araucária pelo apoio ao laboratório. Ao Prof. Hypolito José Kalinowski pela orientação. À profª Marcia Muller pela coorientação. Ao prof. Rogério Nunes Nogueira por ter disponibilizado as instalações do Instituto de Telecomunicações - Aveiro para a realização de parte do trabalho. Aos colegas do Laboratório de Laser e LATE. Aos amigos do LOOP, especialmente o Leandro Grabarski pelo auxílio inicial e a Ísis, Ismael, Rodolfo e Leandro Karam pela longa e pacífica convivência. Aos amigos Carlos Marques, Luís Melo, Lúcia e Nélia do Instituto de Telecomunicações. À minha esposa Marli e aos meus filhos Henrique e João Pedro por compreenderem as minhas longas ausências. Aos professores do CPGEI e em especial aos do Grupo de Fotônica. Ao meu pai José Francisco, minha mãe Alzira Ribeiro (in memoriam), meus irmãos e irmãs que direta ou indiretamente sempre incentivaram os meus estudos..

(7) RESUMO. OLIVEIRA, Valmir de. Redes de Bragg para medições em altas temperaturas. 2012. 137 f. Tese – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, 2012. Este trabalho apresenta resultados de processos pré-tratamento da fibra ótica e/ou póstratamento das redes de Bragg, com o objetivo de estabilizar e garantir a operação dessas redes por períodos longos, em temperaturas da ordem de 300 °C a 800 °C. Resultados do crescimento das redes em fibra ótica padrão G-652 com diâmetro nominal e em tapers, além de fibras óticas pré-aquecidas em chama butano-propano, mostraram aumento da eficiência da gravação pela redução do diâmetro ou aquecimento prévio da fibra. Redes fortes, supostamente de tipo IIA, produzidas em fibra G-652 não hidrogenada, apresentaram estimativa de sobrevida aproximada de 17000 horas operando a 400 °C e de 3000 horas operando em 600 °C. As redes regeneradas produzidas em fibra G-652 hidrogenada e em fibras fotossensíveis mostraram eficiência de regeneração proporcional ao comprimento e ao nível de saturação da rede semente. Redes regeneradas apresentaram estimativa de sobrevida de aproximadamente 5600 horas a 600 °C e não houve sobrevida por longos períodos de tempo operando em temperaturas iguais ou superiores à da regeneração. São mostrados ciclos de tratamento térmico para a estabilização das redes IIA. Resultados para sensibilidade térmica das redes mostraram não haver histerese em ciclo aquecimento-resfriamento. Uma solução para encapsulamento da rede através do uso de tubo cerâmico de alumina mostrou-se satisfatória nas regiões de temperatura mencionadas, sem redução no desempenho. Palavras-chave: Redes de Bragg, Sensores de Alta Temperatura, Redes Regeneradas..

(8) ABSTRACT OLIVEIRA, Valmir de. Fiber Bragg Gratings for Measurements at High Temperatures. 2012. 137 f. Tese – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, 2012. This work presents results regarding pre-treatment optical fibers and / or post-treatment of Bragg gratings in order to stabilize and ensure the operation of such gratings for long periods at temperatures from 300 °C to 800 °C. Results of the growth of fiber optic gratings in standard G-652 with nominal diameter and in fiber tapers, as well as gratings recorded in optical fibers preheated by propane-butane flame, showed increased efficiency in the recording, related to the shrinking of the fiber diameter or to the pre-heating. Strong gratings, presumably of type IIA produced in non-hydrogenated G-652 fibers, showed expected survival time of approximately 17000 hours operating at 400 °C and 3000 hours operating at 600 °C. The regenerated Bragg gratings produced on G-652 hydrogenated fiber and on photosensitive fibers showed regeneration efficiency proportional to the length and saturation of the seed grating. Regenerated Bragg gratings presented expected survival time of about 5600 hours at 600 °C and no survival for long duration intervals when operating at temperatures equal or above the regeneration temperature. Heat treatment cycles to stabilize IIA gratings are described. Results for thermal sensitivity of the Bragg gratings showed no hysteresis in heating-cooling cycle. A solution for encapsulation of the Bragg gratings through the use of alumina ceramic tube was satisfactory tested in the regions mentioned temperature, showing no degradation in performance. Keywords: Bragg Gratings, High Temperature Sensors, Regenerated Gratings..

(9) LISTA DE FIGURAS Figura 1 -. Desenho esquemático de uma rede de Bragg uniforme e os sinais incidente, refletido e transmitido, baseado em (OTHONOS e KALLI, 1999)........................................ 29. Figura 2 -. Evolução do sinal refletido (quadrados) e comprimento de onda de Bragg (triângulos), durante o processo de gravação da rede (LINDNER et al., 2009)........................................... 34. Figura 3 -. Curva típica do sinal refletido, durante processo de regeneração (ZHANG, B. e KAHRIZI, M. 2007).. 36. Figura 4 -. Representação esquemática da gravação da FBG com máscara de fase (HILL et al., 1993).. 37. Figura 5 -. Desenho esquemático do sistema de gravação de FBG no Laboratório de Nanoestruturas da UTFPR................................................................................................................................. 41. Figura 6 -. Representação esquemática do sistema de gravação de FBG no Instituto de Telecomunicações..................................................................................................................... 43. Figura 7 -. Representação do sistema de fabricação de tapers na Universidade Estadual de Santa Catarina – UDESC, campus Joinville....................................................................................... 45. Figura 8 -. Representação de um taper em fibra ótica............................................................................... 46. Figura 9 -. Representação do encapsulamento da FBG para medição em reflexão................................... 48. Figura 10 -. Representação esquemática do sistema de tratamento e caracterização térmica das FBGs.. 49. Figura 11 -. Configuração utilizada para medida do espectro da FBG em transmissão ou reflexão........ 50. Figura 12 -. Representação da configuração para medida do espectro da FBG em reflexão..................... 51. Figura 13 -. Representação da configuração para medida do espectro de transmissão da FBG............... 52. Figura 14 -. Representação esquemática da ponta de prova para altas temperaturas................................. 56. Figura 15 -. Representação esquemática de ponta de prova para altas temperaturas, configurada com tubos cerâmicos coaxiais.......................................................................................................... 58. Figura 16 -. Amplitude do sinal refletido (círculos) e variação do comprimento de onda de pico (quadrados) ao longo do processo de gravação da rede FBG – A............................................ 61. Figura 17 -. Espectros em reflexão da rede FBG – A durante a gravação................................................... 61. Figura 18 -. Espectros em reflexão da rede FBG – B durante a gravação................................................... 62. Figura 19 -. Amplitude do sinal refletido (círculos) e comprimento de onda de pico (quadrados) ao longo do processo de gravação da rede FBG – B..................................................................... 62. Figura 20 -. Espectros em reflexão da rede FBG – C.................................................................................. 63. Figura 21 -. Amplitude do sinal refletido (círculos) e variação do comprimento de onda de pico (quadrados) ao longo do processo de gravação da rede FBG – C........................................... 64. Figura 22 -. Amplitude do sinal refletido em função do número de pulsos do laser durante a gravação de rede de Bragg, conforme o diâmetro da taper (quadrados para 80 µm (T-80) e círculos para 110 µm (T-110)) e a fibra SSMF Draktel no diâmetro padrão de 125 µm (F-125) em triângulos................................................................................................................................. 65.

(10) Figura 23 -. a) Espectros em reflexão para a rede T-80. B) Espectros em reflexão para a rede T-110. Fibra SSMF Draktel não hidrogenada...................................................................................... 66. Figura 24 -. Amplitude do sinal refletido em função do número de pulsos do laser, durante agravação de redes, conforme o pré-aquecimento da fibra (quadrados para fibra igual a taper de 80 µm e círculos para fibra igual a taper 110 µm) e a fibra SSMF Draktel sem préaquecimento (triângulos)......................................................................................................... 67. Figura 25 -. a) Espectros em reflexão para a rede A-80. B) Espectros em reflexão para a rede A-110. Fibra SSMF Draktel não hidrogenada...................................................................................... 69. Figura 26 -. a) Espectros da rede SS semente (linha tracejada) e regenerada (linha cheia). b) Evolução da temperatura (quadrados) e da amplitude do sinal refletido (círculos) da rede SS durante o tratamento térmico. As linhas tracejada e pontilhada são guias para a visão. Fibra SSMF Draktel hidrogenada.................................................................................................................. 71. a) Espectros da rede SM semente (linha tracejada) e regenerada (linha cheia). b) Evolução da temperatura (quadrados) e da amplitude do sinal refletido (círculos) da rede SM durante o tratamento térmico. As linhas tracejada e pontilhada são guias para a visão. Fibra SMF Furukawa hidrogenada................................................................................. 72. Figura 28 -. Amplitudes dos sinais refletidos pelas redes SM-2 (círculos) e SM-4 (quadrados) e a temperatura (triângulos) durante o tratamento térmico. As linhas são guias para a visão..... 74. Figura 29 -. Espectros das redes sementes SM-2 (linha cheia) e SM-4 (linha tracejada)............................ 74. Figura 30 -. Espectros de transmissão para a rede SF-4 em diferentes temperaturas................................... 75. Figura 31 -. Espectros de transmissão para a rede SF-6 em diferentes temperaturas................................... 76. Figura 32 -. Espectro da rede SF-4 semente (linha tracejada) e regenerada (linha cheia), medidos em reflexão..................................................................................................................................... 76. Figura 33 -. Espectro da rede SF-6 semente (linha tracejada) e regenerada (linha cheia), medidos em reflexão..................................................................................................................................... 77. Figura 34 -. a) Espectros de transmissão (linha cheia) e reflexão (linha tracejada) na temperatura de 411 °C para a rede SF-4 e em b) os mesmos espectros na temperatura de 430 °C para a rede SF-6................................................................................................................................... 78. Figura 27 -. Figura 35 Figura 36 -. Amplitude do sinal refletido (círculos) e temperatura (quadrados) durante o tratamento térmico para regeneração. Em a) rede SF-4, em b) rede SF-6. As linhas unindo os pontos experimentais são guias para a visão. a) Amplitude do sinal refletido (círculos) e temperatura (quadrados) durante o tratamento da rede SS-4. As linhas unindo os pontos experimentais são guias para a visão. b) Espectro da rede SS-4 semente (linha tracejada) e regenerada (linha cheia).......................................... 79 80. Figura 37 -. Espectros da rede SS-4 durante o processo de apagamento e regeneração.............................. 82. Figura 38 -. Amplitude do sinal refletido (círculos), a temperatura (quadrados) e a atenuação no sinal transmitido (triângulos) para a rede IT-4 durante o processo de regeneração. As linhas unindo os pontos experimentais são guias para o olhar............................................................ 83. Figura 39 -. Espectros em reflexão para a rede IT-4 semente (linha tracejada) e regenerada (linha cheia), temperatura de 22 °C..................................................................................................... 84. Figura 40 -. Sinal transmitido pela rede IT-4 semente (linha tracejada) e regenerada (linha cheia), na temperatura de 22 °C................................................................................................................ 84.

(11) Temperatura (quadrados), amplitude do sinal refletido (círculos) e a atenuação do sinal transmitido (triângulos), no processo de regeneração da rede IT-10. As linhas unindo os pontos experimentais servem apenas de guias para o olhar...................................................... 85. Figura 42 -. Espectros medidos em reflexão para a rede IT-10 semente (linha cheia) e regenerada (linha tracejada), temperatura de 20 °C............................................................................................... 85. Figura 43 -. Espectros medidos em transmissão para a rede IT-10 semente (linha cheia) e regenerada (linha tracejada), na temperatura de 20 °C............................................................................... 86. Figura 44 -. Temperatura (quadrados), amplitude do sinal refletido (círculos) e a atenuação no sinal transmitido (triângulos), no processo de regeneração da rede IT-15. Linhas contínuas apenas para guiar a visão.......................................................................................................... 87. Figura 45 -. Atenuação no sinal transmitido pela rede IT-24 (círculos) e temperatura no processo (quadrados). Linhas contínuas apenas para guiar a visão......................................................... 87. Figura 46 -. Espectros observados em transmissão para a rede IT-24. Rede semente (linha tracejada) e regenerada (linha cheia)............................................................................................................ 88. Figura 47 -. Espectros obtidos em reflexão para as redes semente (linha tracejada) e regenerada (linha cheia), na temperatura de 22 °C. Rede IT-24........................................................................... 88. Figura 48 -. Comportamento da amplitude do sinal refletido (círculos), a atenuação no sinal transmitido (triângulos) e a temperatura (quadrados) para tratamento térmico em 400 °C. Linhas contínuas para guiar o olhar...................................................................................................... 89. Figura 49 -. Amplitude do sinal refletido (círculos) e atenuação no sinal transmitido (triângulos) para a condição de temperatura constante de 550 °C. 2° ciclo do tratamento térmico...................... 90. Figura 50 -. Amplitude do sinal refletido (círculos) e atenuação no sinal transmitido (triângulo), durante o 3° ciclo de aquecimento, com temperatura estabilizada em 750 °C. As linhas tracejadas e pontilhadas são referências para o olhar............................................................... 91. Figura 51 -. Amplitude do sinal refletido (círculos) e temperatura (quadrados) durante o tratamento térmico. Rede regenerada. Fibra SMF Furukawa hidrogenada................................................ 92. Figura 52 -. Amplitude do sinal refletido (círculos) e temperatura (quadrados) durante o tratamento térmico. Rede IIA. Fibra SMF Furukawa não hidrogenada..................................................... 93. Figura 53 -. Sinal refletido para 4 redes IIA gravadas com mesma fluência em fibra padrão não hidrogenada, durante um mesmo tratamento térmico a 400 °C.. 94. Figura 54 -. Amplitude do sinal refletido da rede IIA (círculos) e da temperatura (quadrados) nas primeiras 60 h do tratamento térmico....................................................................................... 96. Figura 55 -. Amplitude dos sinais refletidos para a rede regenerada (quadrados) e IIA (círculos) ao longo do tratamento térmico de 260h....................................................................................... 97. Figura 56 -. Temperatura (quadrados) e amplitude do sinal refletido (círculos) durante o 1° ciclo do tratamento térmico. Rede FBG-03, fibra SMF Furukawa não hidrogenada............................. 98. Figura 57 -. Temperatura (quadrados) e comprimento de onda de pico (triângulos) durante o 1° ciclo do tratamento térmico. Rede FBG-03........................................................................................... 98. Figura 58 -. Temperatura (quadrados) e atenuação no sinal transmitido (triângulos) durante o 1° ciclo do tratamento térmico. Rede FBG-03...................................................................................... 99. Figura 41 -.

(12) Espectros obtidos durante o primeiro ciclo do tratamento térmico. Em a) medidas em reflexão e em b) medidas em transmissão. Patamar de 700 °C, linha cheia os espectros iniciais e em tracejados os espectros finais. Rede FBG-03, fibra SMF Furukawa não hidrogenada............................................................................................................................... 100. Figura 60 -. Temperatura (quadrados) e amplitude do sinal refletido (círculos), durante o 2° ciclo do tratamento térmico em 700 °C. Rede FBG-03.......................................................................... 101. Figura 61 -. Comportamento da temperatura (quadrados) e do comprimento de onda de pico (triângulos) ao longo do 2° ciclo do tratamento térmico em 700 °C. Rede FBG-03............... 101. Figura 62 -. a) espectro da rede obtido em reflexão e em b) transmissão, durante o 2° ciclo do tratamento térmico. Em linha cheia os espectros iniciais e em linha tracejada os espectros finais. Rede FBG-03................................................................................................................. 102. Figura 63 -. Temperatura (quadrados) e amplitude do sinal refletido (círculos), durante o 3° ciclo do tratamento térmico em 700 °C. Rede FBG-03.......................................................................... 103. Figura 64 -. Temperatura (quadrados) e comprimento de onda de pico (triângulos) ao longo do 3° ciclo de tratamento térmico. Rede FBG-03....................................................................................... 103. Figura 65 -. Espectros obtidos durante o 3° ciclo do tratamento térmico. Em a) medidas em reflexão e em b) medidas em transmissão. Patamar de 700 °C, em linha cheia os espectros iniciais e em tracejadas os espectros finais. Rede FBG-03...................................................................... 104. Espectros iniciais de duas redes IIA gravadas em fibra não hidrogenada. Em linha cheia a rede FBG-01 gravada no IT em fibra SSMF Draktel e em linha pontilhada a rede FBG-03 gravada em fibra SMF Furukawa gravada no LANOE, que foi submetida posteriormente a 3 ciclos de tratamento térmico.................................................................................................. 105. Figura 67 -. Temperatura (quadrados) e amplitude do sinal refletido (círculos) ao longo do tratamento térmico da rede FBG-01. Fibra SSMF Draktel não hidrogenada gravada no IT...................... 106. Figura 68 -. Temperatura (quadrados) e comprimento de onda de pico da rede (triângulos), durante o tratamento térmico da rede FBG-01. Fibra SSMF Draktel não hidrogenada gravada no IT... 107. Figura 69 -. Amplitude do sinal refletido para rede IIA gravada em fibra varrida à chama (círculos) e em fibra sem pré-tratamento (triângulos) e a temperatura (quadrados) durante o tratamento térmico. Linhas são referências para o olhar.. 108. Comprimento de onda de pico em função da temperatura, ciclo de aquecimento (quadrados) e de resfriamento (círculos). Rede FBG-03 submetida previamente a 3 ciclos em 700 °C. Fibra SMF Furukawa. Linhas tracejada e pontilhada são referências para os olhos.......................................................................................................................................... 109. Comprimento de onda de pico em função da temperatura, ciclo de aquecimento (quadrados) e de resfriamento (círculos). Rede FBG-01 submetida previamente a 1 ciclo de 5 h em 700 °C. Fibra SSMF Draktel. Linhas tracejadas e pontilhadas são referências para os olhos.. 110. Figura 72 -. Aumento do comprimento de onda de pico durante a regeneração da rede de Bragg IT-4.. 111. Figura 73 -. Comprimento de onda de pico em função da temperatura, ciclo de aquecimento (quadrados) e de resfriamento (círculos). Rede não estabilizada. Fibra SMF Furukawa hidrogenada. As linhas são referências aos olhos..................................................................... 112. Comprimento de onda de pico em função da temperatura, 2°ciclo de aquecimento (quadrados) e de resfriamento (círculos). Rede estabilizada. Fibra SMF Furukawa hidrogenada. As linhas são referências aos olhos..................................................................... 112. Figura 59 -. Figura 66 -. Figura 70 -. Figura 71 -. Figura 74 -.

(13) Figura 75 -. Comprimento de onda de pico em função da temperatura, ciclo de aquecimento (quadrados) e de resfriamento (círculos). Rede IT-4. As linhas são referências aos olhos.... 113. Figura 76 -. Comprimento de onda de pico em função da temperatura, ciclo de aquecimento (quadrados) e de resfriamento (círculos). Rede regenerada em 850 °C. Fibra SSMF Draktel hidrogenada. As linhas são referências para os olhos............................................................... 114. Figura 77 -. Espectros das redes sementes, rede 1 (linha cheia) e rede 2 (linha tracejada) em temperatura ambiente de 23 °C................................................................................................. 116. Figura 78 -. Comportamento da temperatura (quadrados) e da amplitude do sinal refletido (círculos), para a rede 1 durante o processo de regeneração, para comparar com a rede 2...................... 117. Figura 79 -. Espectros em reflexão para a rede 1 semente (linha cheia) e regenerada (linha tracejada).. 117. Figura 80 -. Comportamento da temperatura (quadrados) e da amplitude do sinal refletido (círculos), para a rede 2 durante o processo de regeneração...................................................................... 118. Figura 81 -. Espectro da rede 2 semente (linha cheia) e regenerada (linha tracejada) na temperatura de 23 °C......................................................................................................................................... 119. Figura 82 -. Espectros das redes regeneradas 1 e 2, acopladas em série...................................................... 119. Figura 83 -. Comportamento da temperatura (quadrados) e das amplitudes dos sinais refletidos pelas redes regeneradas 1 (círculos) e 2 (triângulos), durante o tratamento térmico para avaliação da sobrevida em altas temperaturas.......................................................................................... 120. Comportamento da temperatura (quadrados) e da amplitude do sinal refletido (círculos), durante o processo de regeneração da rede no desenvolvimento da ponta de prova para medição em altas temperaturas................................................................................................. 121. Caracterização da sensibilidade térmica da ponta de prova para medição em alta temperatura. Ciclo de aquecimento (quadrados) e de resfriamento (círculos). ). As linhas são guias para o olhar................................................................................................................ 122. Figura 86 -. Temperatura (quadrados) e comprimento de onda (círculos) durante ensaio para avaliação da estabilidade da ponta para alta temperatura. Linhas são guias para o olhar...................... 123. Figura 87 -. Comportamento da temperatura (quadrados) e da amplitude do sinal refletido (círculos) durante ensaio para avaliação da estabilidade da ponta para alta temperatura......................... 123. Figura 84 -. Figura 85 -.

(14) LISTA DE TABELAS Tabela. 1-. Parâmetros de gravação das redes tipo IIA. ............................................................................. 60. Tabela. 2-. Classificação das redes gravadas em tapers e na fibra com diâmetro padrão......................... 64. Tabela. 3-. Amplitudes dos sinais refletidos inicial e final das redes gravadas na fibra padrão e em Taper......................................................................................................................................... 65. Tabela. 4-. Classificação das redes gravadas em fibras pré-aquecidas e na fibra sem pré-aquecimento.. 67. Tabela. 5-. Amplitude dos sinais refletidos inicial e final das redes gravadas na fibra padrão sem préaquecimento e nas pré-aquecidas.............................................................................................. 68. Tabela 6 -. Amplitudes dos sinais refletidos inicial e final das redes gravadas em tapers e nas fibras padrão pré-aquecidas como no processo de fabricação dos tapers.......................................... 68. Tabela 7 -. Redes com comprimentos variados a serem regeneradas......................................................... 82. Tabela 8 -. Relação entre o comprimento da rede regenerada e a atenuação final no sinal transmitido.. 89. Tabela 9 -. Estimativa do tempo para apagamento da rede semente, durante o processo de regeneração em diferentes temperaturas....................................................................................................... 91. Tabela 10 -. Identificação das Fibras e Redes de Bragg Tipo IIA................................................................ 93. Tabela 11 -. Taxa de atenuação, amplitude inicial do sinal refletido e estimativa de vida, redes IIA....... 95. Tabela 12 -. Sensibilidade térmica para aquecimento e resfriamento e coeficiente do ajuste polinomial para a rede FBG-03 previamente submetida a 3 ciclos de tratamento térmico em 700 °C.... 109. Tabela 13 -. Sensibilidade térmica para aquecimento e resfriamento e coeficientes do ajuste polinomial da rede FBG-01 previamente submetida a 1 ciclo de tratamento térmico em 700 °C........... 110. Tabela 14 -. Sensibilidade térmica para aquecimento e resfriamento da rede regenerada em 850°C e coeficientes do ajuste polinomial durante a 2ª caracterização térmica.................................... 113. Tabela 15 -. Sensibilidade térmica em duas regiões de temperatura e coeficientes do ajuste polinomial durante aquecimento e resfriamento da rede IT-4.................................................................... 114. Tabela 16 -. Sensibilidade térmica nas duas regiões de temperatura e coeficientes do ajuste polinomial para aquecimento e resfriamento da rede regenerada em 850 °C. Fibra SSMF Draktel. Gravação IT.............................................................................................................................. 115. Sensibilidade térmica e coeficientes do ajuste polinomial para aquecimento e resfriamento da rede de Bragg encapsulada na ponta de prova..................................................................... 122. Tabela 17 -.

(15) LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E ACRÔNIMOS ASE. - Emissão espontânea amplificada (Amplified Spontaneous Emission). CCG. - Rede de Composição Química (Chemical Composition Gratings). CDO. - Comprimento de Onda. EDFA. - Amplificador à Fibra Dopada com Érbio (Erbium Doped Fiber Amplifier). FBG. - Rede de Bragg em Fibra (Fiber Bragg Grating). FWHM. - Largura da Banda Máxima a Meia Altura (Full Width Half Maximum). IT. - Instituto de Telecomunicações. LANOE - Laboratório de Nanoestruturas LOOP. - Laboratório de Ótica e Optoeletrônica. ONA. - Analisador de Rede Ótica (Optical Network Analyzer). OSA. - Analisador de Espectro Ótico (Optical Spectrum Analyzer). SMF. - Fibra Ótica Monomodo (Single Mode Fiber). SSMF. - Fibra Ótica Monomodo Padrão (Standard Single Mode Fiber). ESMF. - Fibra Ótica Monomodo Reforçada (Enhanced Single Mode Fiber). SPCVD. - Deposição Química de Vapor de Plasma (Surface Plasma Chemical Vapour Deposition). UA. - Universidade de Aveiro. UDESC. - Universidade Estadual de Santa Catarina. UTFPR. - Universidade Tecnológica Federal do Paraná. UV. - Ultravioleta (Ultraviolet).

(16) LISTA DE SÍMBOLOS λB. - Comprimento de onda de Bragg. KrF. - Fluoreto de Criptônio. ArF. - Fluoreto de Argônio. AlO3. - Óxido de Alumínio. Ge. - Germânio. Δn. - Modulação no índice de refração. Δneff. - Variação no índice de refração efetivo. Λ. - Período da rede de Bragg. ΔT. - Variação de temperatura. ΔλBT. - Variação no λB devido à variação na temperatura. Δε. - Variação na deformação relativa (strain). ΔλBS. - Variação no λB devido à variação na deformação. n. - Índice de refração. ρ11, ρ12. - Coeficientes do tensor para deformação da fibra ótica. ν. - Coeficiente de Poisson. α. - Coeficiente de expansão térmica da Sílica. ξ. - Coeficiente termo-ótico da Sílica. Ar. - Argônio. dB. - decibel. ΛPM. - Período da máscara de fase. CH. - Chave ótica. S. - Interruptor elétrico. GeO2. - Dióxido de Germânio. z. - Distância ao longo do eixo longitudinal da fibra. R(l,λ). - Amplitude do sinal refletido pela rede. l. - Comprimento da rede. Ω. - Coeficiente de acoplamento. Δk. - Variação do vetor de onda. k. - Constante de propagação. v. - Frequência normalizada. Mp. - Fração do modo de potência confinado no núcleo da fibra.

(17) a. - Raio do núcleo da fibra. nco. - Índice de refração de núcleo da fibra ótica. ncl. - Índice de refração de casca da fibra ótica. no. - Índice de refração médio. N. - Número de planos da rede. s. - Parâmetro (Ω2 – Δk2)1/2 variando entre 0,5 e 1,0.

(18) SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO……………………………………………………………………….. 18 1.1 MEDIÇÕES EM ALTAS TEMPERATURAS …………………………………….... 18 1.2 ESTADO DA ARTE……………………………………………………………….… 20 1.2.1 Redes de Bragg Convencionais……………………………….................................. 20 1.2.2 Redes Regeneradas……………………………………………………………….... 24 1.3 OBJETIVO GERAL………………………………………………………………….. 27 1.3.1 Objetivos Específicos ……………………………………………………………… 27 1.4 ESTRUTURA DESTE TRABALHO…………………………………………….….. 28 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA……………………………………………………. 29 2.1 REDES DE BRAGG COMO SENSOR TÉRMICO E DE DEFORMAÇÃO……….. 29 2.1.1 Rede de Bragg em Fibra Ótica ……………………………………………………. 29 2.1.2 Sinal Refletido pela Rede de Bragg Uniforme …………………………………….. 30 2.1.3 Sensor térmico e de deformação………………………………………………….…31 2.2 TIPOS DE REDES DE BRAGG……………………………………………………... 33 2.3 GRAVAÇÃO DIRETA DE FBG COM MÁSCARA DE FASE…………………….. 37 3 METODOLOGIA…………………………………………………………………….. 39 3.1 PROCESSO DE GRAVAÇÃO DE FBG…………………………………………….. 40 3.1.1 Tipos de Fibras Utilizadas para Gravação de Rede ………………………………... 44 3.1.2 Gravações em Tapers e em Fibras Pré-aquecidas ………………….…………….. 44 3.1.3 Hidrogenação das Fibras Óticas………………………………................................. 46 3.2 MONITORAÇÃO ESPECTRAL DURANTE A GRAVAÇÃO …………………… 47 3.3 MÉTODO PARA TRATAMENTO TÉRMICO DAS REDES DE BRAGG ………. 47 3.3.1 Método para Realização de Tratamento Térmico na UTFPR ……………………... 47 3.3.2 Método para Realização de Tratamento Térmico no IT …………………………… 51 3.3.3 Produção de Redes Regeneradas …………………………………………………... 53 3.3.4 Estabilidade das Redes em Altas Temperaturas e Denominação............................... 54 3.3.5 Sensibilidade Térmica das Redes …………………………….……………………. 55 3.4 PONTA DE PROVA PARA ALTA TEMPERATURA ……………………………. 56 3.5 COMPARAÇÃO ENTRE REDES REGENERADAS EM FIBRAS FOTOSSENSÍVEIS HIDROGENADAS E NÃO HIDROGENADAS………………….. 59 4 RESULTADOS………………………………………………………………………... 60 4.1 REDES EM FIBRAS NÃO HIDROGENADAS ……………………………………. 60.

(19) 4.2 REDES EM TAPERS NÃO HIDROGENADOS…………………………………….. 64 4.3 REDES SEMENTES E REGENERADAS………………………………………….. 70 4.3.1 Regeneração de Redes por Tratamento Térmico………………………....................70 4.3.2 Resistência das Redes de Bragg as Altas Temperaturas……………………..…….. 91 4.3.3 Sensibilidade Térmica de Rede IIA em Fibra Padrão não Hidrogenada…………... 108 4.3.4 Sensibilidade Térmica de Rede Regenerada………………………………….…......110 4.3.5 Comparação entre Redes Regeneradas Produzidas em Fibra Fotossensível Hidrogenada e não Hidrogenada…………………………………………………………. 115 4.4 PONTA DE PROVA PARA ALTAS TEMPERATURAS………………………….. 121 5 CONCLUSÕES e TRABALHOS FUTUROS…………………………….................124 REFERÊNCIAS………………………………………………………………………….. 129 APÊNDICE A Oscilações Periódicas na Amplitude do Sinal Refletido Obtidas Durante Processos de Gravação Redes……………………………………………………………………….….. 133 APÊNDICE B Artigos Resultantes Deste Trabalho……………………………………………………… 137.

(20) 18. 1 INTRODUÇÃO. 1.1 MEDIÇÕES EM ALTAS TEMPERATURAS A medição de parâmetros físicos é de fundamental importância para o controle e a supervisão de um processo industrial. Medições de parâmetros tais como temperatura, pressão, vazão, deformação e nível são as mais frequentemente encontradas nos sistemas industriais. A tecnologia eletrônica atende de forma satisfatória a maioria das aplicações de sensoriamento industrial, porém em alguns casos, impõe ao sensor eletrônico convencional a condição de não conformidade no atendimento à obtenção da medida. Como fatores limitantes do desempenho da tecnologia eletrônica podem ser citados a susceptibilidade a interferência elétrica e eletromagnética, o volume do sensor, a distância do ponto a ser monitorado ou o número de pontos de medição, entre outros. A utilização de sensores óticos baseados em redes de Bragg em fibras óticas (FBG) para a medição de temperaturas elevadas ou de parâmetros como deformação ou vibração em alta temperatura, vem complementar a tecnologia eletrônica atendendo um setor no qual os sensores convencionais não operam de maneira satisfatória. As características da fibra ótica e do sinal propagado, tais como: pequena dimensão, sinal codificado em comprimento de onda, imunidade à interferência elétrica e eletromagnética, inerte na presença de uma variedade de agentes químicos, tornam a utilização dos sensores a fibra ótica atraente não só em altas temperaturas como também, em indústrias de gás, petroquímica, siderúrgica entre outras. A rede de Bragg em fibra ótica (HILL et al., 1978) surgiu como um importante componente para uma variedade de aplicações em telecomunicações e em sensoriamento. Além de todas as aplicações e vantagens apresentadas pelas redes de Bragg no campo das comunicações óticas, o uso das FBGs como sensores também cresceu acentuadamente nas últimas décadas. De um modo geral, os sensores de fibra ótica apresentam uma série de vantagens, incluindo sensibilidade similar, ou melhor, àquela existente em sensores convencionais e geometria versátil. Através de uma tecnologia genérica o dispositivo é sensível a muitas grandezas físico-químicas (acústicas, elétricas, magnéticas, temperatura, rotação, deformação, índice de refração e outras). Apresentam ainda inerente compatibilidade com sistemas de telemetria através de fibra ótica e tem custo potencialmente baixo (GIALLORENZI et al., 1982)..

(21) 19. Do ponto de vista da instrumentação, uma vantagem do uso da FBG como transdutor é o fato de que a informação sobre o mensurando está codificada espectralmente (HILL e MELTZ, 1997). Isso permite determinar a magnitude do mensurando sem a necessidade de um sistema de referência para a potência ótica, o que implicaria em calibração periódica. Outra vantagem é a possibilidade de multiplexar em comprimento de onda um grande número de sensores, permitindo medições multi-pontuais ou quasi-distribuídas. A multiplexação permite monitorar estruturas com grandes dimensões como, por exemplo, cabos de transmissão de energia elétrica, oleodutos e cascos de navios. No entanto, para todas as aplicações, a estabilidade térmica da rede de Bragg é fundamental e determina a condição em que essas redes podem operar. Por exemplo, em aplicações padrão de telecomunicações, é necessário que as redes operem por 25 anos em temperaturas de até 80 °C. Outras aplicações impõem aos sensores temperaturas muito superiores, como no caso das indústrias de petróleo e gás, onde o limite de temperatura pode estar acima dos 400 °C. Tratando-se de fundição de alumínio e controle de fornos e motores, pode haver facilmente temperaturas da ordem de 1000 °C (CANNING et al., 2009). Para atender a alguns dos requisitos necessários às aplicações acima descritas, a utilização de sensores óticos de temperatura baseados em redes de Bragg em fibras óticas requer o estudo e desenvolvimento de técnicas de produção capazes de fornecer sensores otimizados, estabilizados e adequados a cada aplicação..

(22) 20. 1.2 ESTADO DA ARTE 1.2.1 Redes de Bragg Convencionais. Sensores baseados em redes de Bragg de tipo I e IIA apresentam como principal limitação a relativamente baixa temperatura limite de operação (KASHYAP, cap. 2, 1999). Algumas centenas de graus centígrados são suficientes para apagar essas redes em tempos que variam desde minutos até poucas horas, dependendo do tipo de fibra e da fluência do laser utilizado na gravação, a qual é a razão entre a energia do laser e a área irradiada, entre outros parâmetros. A estabilidade da resposta da FBG com a temperatura e a previsão do seu tempo de vida tem sido estudado nas últimas décadas (ERDOGAN et al., 1994), (PATRICK et al., 1995), (KANNAN et al., 1997), (RIANT et al., 1998) . Um modelo empírico com base em uma função exponencial decrescente que descreve esse mecanismo de degradação da rede em função do tempo e da temperatura foi proposto por ERDOGAN et al., (1994). Foram sugeridos novos materiais dopantes (BRAMBILLA et al., 2000), (DIANOV et al., 1997) e pré e pós-tratamento da fibra (WANG et al., 2000), como maneira de aumentar a estabilidade térmica. Com o objetivo de variar a amplitude da modulação induzida no índice de refração do núcleo da fibra ótica, Δnmod , várias técnicas são aplicadas no processo de preparação da fibra, entre elas a dopagem com diferentes elementos que são usados na produção de fibras especiais e aumento da fotossensibilidade em fibra padrão de telecomunicação (G-652). Uma fibra com maior fotossensibilidade possibilita a utilização de laser de menor potência e por tempos menores, o que implica em menor custo, produção mais rápida da FBG e menores danos à região exposta da fibra. A hidrogenação é uma forma eficiente de aumentar a fotossensibilidade da fibra ótica. O processo de hidrogenação pode ser feito a quente, onde uma chama hidrogenada varre a fibra na região de interesse (HILL et al., 1993) ou através do confinamento da fibra em vaso pressurizado com hidrogênio por vários dias. Nos dois processos ocorre a difusão de hidrogênio para o interior da fibra. Alta pressão e baixa temperatura no processo de hidrogenação, em fibras fotossensíveis, aumentam significativamente a sua fotossensibilidade e FBGs pode ser gravadas com lasers em 248 nm ou 193 nm (ÅSLUND M. et al., 1999)..

(23) 21. FBGs resultantes da modulação no índice de refração por meio de formação de moléculas de água no núcleo da fibra e com processo de recozimento (annealing) apresentaram elevada estabilidade e ampla faixa de operação como sensor térmico apagando somente numa temperatura próxima de 1100 °C. (ZHANG e KAHRIZI, 2007). Durante o experimento a FBG apresentou sinal refletido de aproximadamente 30 dB em temperatura ambiente. Após ter sua temperatura elevada para aproximadamente 700 °C sua refletividade caiu para 16 dB em 1 hora e atingiu 14 dB após 2 horas adicionais. Foram realizados estudos sobre o efeito da hidrogenação na resistência e estabilidade térmica de FBGs (EGAN et al., 1996), utilizando fibras de sílica dopadas com boro e germânio não hidrogenada e hidrogenada (realizada em 100 °C e na pressão de 5 -10 MPa por 24 h). As redes foram escritas por radiação ultravioleta, UV, em 240 nm, potência do laser de 2 mJ/pulso, taxa de repetição 10 Hz e fluência próxima de 100 mJ/cm2 . As redes formadas tinham 5 mm de comprimento e apresentavam o comprimento de onda de Bragg, λB, próximo a 1540 nm. Foram gravadas redes fracas, fortes e saturadas, as quais apresentavam ligeira diferença de comprimento de onda, o que tornava possível a monitoração simultânea dos espectros das 3 redes. A rede fraca foi gravada com aproximadamente 370 pulsos de laser, a rede forte recebeu ao redor de 800 pulsos e a rede saturada mais de 1200 pulsos. Após as gravações, as redes passaram por processo de recozimento em um forno, utilizando temperaturas de 150 °C, 300 °C e 500 °C, sendo os espectros armazenados a cada 60 s durante os 30 minutos iniciais e após, a cada 10 minutos de recozimento. Para o caso das redes gravadas em fibra hidrogenada, o processo de recozimento ocorreu 48 horas após a gravação. Através da analise da modulação de índice (Δnmod) durante o tratamento térmico, para as redes gravadas na fibra hidrogenada, foi observado que a rede saturada apresentou Δnmod superior ao das redes forte e fraca. Em todas as redes houve uma significativa redução do Δnmod nos primeiros minutos do recozimento e posteriormente a queda foi suave nas temperaturas de 150 °C e 300 °C. Em 500 °C a rede fraca desapareceu tão rapidamente que a sua medição não foi possível. Para o caso de redes em fibras hidrogenadas, durante o processo de recozimento foi observado que o comportamento do Δnmod ficou muito próximo para as redes fraca, forte e saturada. Durante o tratamento térmico em 150 °C por 200 horas, a redução no Δnmod foi de aproximadamente 20 % e em tratamento térmico em 300 °C por igual período, a redução foi de aproximadamente 40 %..

(24) 22. Redes gravadas por UV em fibras padrão de telecomunicações são naturalmente instáveis próximas à temperatura de transição vítrea da sílica (Tg). São exceções a isso as redes de composição química e as do tipo II (dano permanente na estrutura do vidro) (GROBNIC et al., 2006). Redes de composição química CCG, foram obtidas através de tratamento térmico em 1000 °C. As redes foram gravadas em fibras fotossensível com dimensões padrão (dopada com germânio e que contém cerca de 1-3 mol % de flúor no núcleo) e hidrogenada. Durante a gravação, expondo o núcleo da fibra um padrão de franjas UV (244 nm) resultou na formação periódica de grupos de hidroxilas, ao longo do núcleo, com o mesmo período daquele padrão. Por tratamento térmico posterior, os grupos de hidroxilas reagiram quimicamente no interior do núcleo, resultando na formação de fluoreto de hidrogênio e moléculas de água. As regiões não expostas ao UV contribuiram para a amplitude de modulação do índice de refração, Δnmod resultante. A rede foi aquecida em 50 minutos até 1000 °C. durante o aquecimento houve redução na refletividade da rede que apagou aos 48 minutos. Em seguida cresceu a CCG que estabilizou após 55 minutos. Ensaio posterior da CCG, avaliando a modulação de índice de refração (Δnmod) mostrou relativa estabilidade em 1000 °C por 120 minutos. Na sequência a CCG foi aquecida até 1200 °C por 60 minutos e a amplitude de modulação do índice de refração foi atenuada até 20 %. (FOKINE, 2002). Foi ainda realizado um estudo comparativo da durabilidade das redes tipo I e IIA com a CCG desenvolvida por FOKINE (2002), em regime de elevada temperatura. As redes tipo I e IIA foram produzidas em fibras dopadas com germânio ou boro-germânio. A gravação das redes foi realizada por laser excímero 248 nm, em exposição direta sob máscara de fase. A CCG foi escrita em uma fibra dopada com flúor e germânio e respondeu bem aos ensaios de longa duração (mais de 600 horas). A CCG apresentou amplitude de modulação no índice de refração do núcleo relativamente baixa (5x10-5), bem como baixa refletividade (40 %) em temperatura ambiente, porém tais características foram altamente estáveis à variação de temperatura. As redes tipos I e IIA gravadas em fibra dopadas com germânio resistiram a 700 °C e a CCG mais de 1100 °C (PAL et al., 2003). Foram também descritas redes de Bragg gravadas em uma nova fibra sem germânio, com núcleo de sílica dopada com nitrogênio e casca de sílica pura, fabricada por deposição química de vapor de plasma em baixa pressão (SPCVD) sem hidrogênio (DIANOV et al., 1997). As redes apresentavam 3 mm de comprimento e foram gravadas em fibra não.

(25) 23. hidrogenada utilizando um laser excímero de ArF em 193 nm, operando com taxa de repetição de 15 Hz e fluência entre 100 e 400 mJ/cm2. As avaliações da robustez das redes gravadas foram obtidas através de um processo de recozimento onde as redes foram submetidas a sucessivas elevações de temperatura em passos de 50 °C e em intervalos de 30 minutos. A medição da amplitude do índice de refração durante todo o processo de recozimento foi sempre obtida após a estabilização na temperatura ambiente (23 °C). Foram testadas redes do tipo I e IIA, (a rede de tipo I obtida com 1,2x105 pulsos à fluência de 100 mJ/cm2 e a rede de tipo IIA obtida com 3,0x104 pulsos com fluência de 400 mJ/cm2). A rede tipo I manteve-se aproximadamente 50 % de sua amplitude de índice de refração até 600 °C ao passo que a rede de tipo IIA apresentou um ligeiro aumento na amplitude do índice entre 350 °C e 600 °C e após 900 °C só houve uma redução ao redor de 20 % no índice de refração modulado (DIANOV et al., 1997). Outro processo de gravação descrito utilizou uma fonte laser com pulsos de femtosegundos (120 fs) no IR (800 nm), energia de 300 µJ/pulso, taxa de repetição de 1 kHz e máscara de fase otimizada para o comprimento de onda do laser. FBGs com alta qualidade no espectro refletido e elevada amplitude de modulação no índice de refração do núcleo foram fabricadas em fibra dopada com germânio padrão de telecomunicações (G-652), podendo também ser escritas em qualquer fibra monomodo de sílica dopada com fluoreto (MIHAILOV et al., 2004). Tais FBGs foram submetidas à annealing nas temperaturas de 500 °C durante 2,4 horas, 710 °C durante 15,2 horas, 950 °C por 16 horas e 1050 °C por 4 horas. Nas temperaturas de 500 °C e 710 °C não foram observadas perdas significativas no sinal transmitido. Em 950 °C a modulação de índice estabilizou em 75 % do seu valor inicial e em 1050 °C a rede apagou após 4 horas. O desempenho em alta temperatura para a FBG produzida com o laser de femtosegundos foi similar ao descrito para as redes de tipo II (MIHAILOV et al., 2004). Em 2002, (LIU et al.) apresentaram um novo tipo de rede, conhecida por tipo IA. A aplicação dessas redes foi demonstrada para medições de deformação (SIMPSON et al., 2003), aonde a rede tipo IA foi utilizada para compensar variações de temperatura daquela sensora, do tipo I..

(26) 24. 1.2.2 Redes Regeneradas A regeneração é o fenômeno através do qual uma rede de tipo I, submetida a um processo de annealing em temperatura na faixa 700 – 1000 °C volta a crescer após um completo ou parcial apagamento da rede inicial. A rede inicial é denominada de semente e caracteriza-se por ser de tipo I, apresentar lóbulos laterais de elevada magnitude e um nível mais forte de saturação, ou seja, possui refletividade elevada e aplainamento na região do pico do espectro. A rede regenerada, por sua vez, apresenta espectro relativamente estreito, médio a baixo sinal refletido e quase ausência de lóbulos laterais (FOKINE, 2002); (CANNING et al., 2008). Os. mecanismos. responsáveis. pela. regeneração. ainda. não. são. totalmente. compreendidos, porém parecem estar ligados aos fenômenos de compactação e densificação da estrutura da sílica (LINDNER et al., 2009), (CANNING et al., 2008). A regeneração tem sido observada em redes gravadas em fibra fotossensível e/ou hidrogenada. As redes regeneradas apresentam elevada estabilidade térmica, havendo relatos de redes que resistiram a temperaturas superiores a 1300 °C (ÅSLUND et al., 2010). A regeneração é dependente das características da rede semente. Fora observado que a refletividade da rede regenerada é diretamente proporcional à refletividade da rede semente (CANNING et al., 2009), por isso fibras altamente fotossensíveis apresentam resultados satisfatórios no processo de regeneração. A regeneração de rede de Bragg gravada em fibra fotossensível de sílica dopada com germânio e codopada com boro foi descrita por CANNING et al. (2008). As redes de Bragg (l = 5 mm) foram gravadas utilizando um laser excímero ArF (193 nm, pulso de 15 ns, fluência de pulso entre 40 – 70 mJ/cm2, taxa de repetição 10 Hz, fluência acumulada 360 J/cm2). Foi utilizada uma fibra de sílica dopada com B/Ge (núcleo ≈ 20 mol % B, ≈ 33 mol % GeO2 e Interior da casca 11 mol % P e < 4 mol % F). A fibra foi mantida em tracionamento por uma carga padrão de aproximadamente 1N. Redes gravadas em fibra hidrogenada (180 atm, 24 horas) e redes gravadas em fibra não hidrogenada foram usadas no experimento. Um micro aquecedor de ultra-alta temperatura (zona quente com l = 10 mm) foi utilizado no annealing das redes hidrogenada e não hidrogenada. A temperatura do processo foi monitorada por termopar calibrado e pelo desvio no comprimento de onda de Bragg, ΔλB, de uma das redes. Um Amplificador a Fibra Dopada com Érbio (EDFA) e um Analisador de.

(27) 25. Espectro Ótico (OSA, resolução de 50 pm) foram usados para gravar os espectros das redes. Foram utilizadas redes idênticas e com perda em transmissão de 25 dB em λB. As redes foram mantidas em temperatura ambiente por 72 horas antes de serem submetidas ao annealing, quando foram aquecidas da temperatura ambiente até 1100 °C. As redes apagaram totalmente em aproximadamente 900 °C e não houve regeneração na rede gravada na fibra não hidrogenada. Outro experimento foi realizado através de annealing isotérmico progressivo, no qual houve um aquecimento inicial até 600 °C em 10 minutos e, posteriormente, a cada 10 minutos havia incremento de 50 °C, até atingir 1100 °C. A regeneração caracterizada pela formação de um novo pico em comprimento de onda imediatamente superior ao da rede semente foi observada após 10 minutos a aproximadamente 900 °C. Em seguida, a temperatura foi elevada de 900 °C até 1000 °C entre 10 a 20 minutos e foi feito um annealing isotérmico em 1000 °C por 10 minutos. A rede manteve-se estável até o fim do experimento numa temperatura de aproximadamente 1000 °C. A regeneração de redes de Bragg em fibra não hidrogenada, porém altamente fotossensível, foi descrita por LINDNER et al. (2009). As redes foram gravadas utilizando um laser de excímero KrF em 248 nm e pulsos com duração de 20 ns. A fibra ótica utilizada era altamente dopada com germânio (18 mol % de Ge no núcleo), possuindo diâmetro de 125 µm. As redes regeneradas foram obtidas por annealing em altas temperaturas das redes inicialmente gravadas. O processo de annealing foi realizado em temperaturas entre 700 °C e 750 °C, no interior de um forno, com controle adicional de temperatura próximo à posição das redes. A rede semente foi gravada utilizando 3000 pulsos de laser com densidade de energia de 330 mJ/cm2 e tinha um comprimento de 5 mm. Durante o processo de gravação foram monitorados a refletividade e o comprimento de onda da rede de Bragg, observando-se um desvio para maiores comprimentos de onda, indicando uma alteração positiva do índice de refração. no. núcleo. da. fibra,. comportamento. comum. às. redes. de. tipo. I. (LINDNER et al., 2009). As redes regeneradas apresentaram um fator de regeneração dependente da fluência utilizada. Foram gravadas 4 redes com a mesma densidade de energia, porém utilizando diferentes números de pulsos. As 4 redes foram submetidas a annealing em 700 °C e o fator de regeneração foi determinado. Observou-se um fator de regeneração linearmente dependente da fluência. As redes gravadas com fluência acumulada de 4200 J/cm2 resultaram em um fator de regeneração muito forte, superior a 80 % da refletividade inicial, ao mesmo.

(28) 26. tempo em que não se observa regeneração para fluências inferiores a 900 J/cm2 (LINDNER et al., 2009). A fim de propiciar a mudança estrutural associada com redes regeneradas, uma rede semente é necessária. Na prática, tem sido confirmado que uma rede semente forte resulta uma rede regenerada forte (CANNING et al., 2009). Para esse caso, uma rede de Bragg convencional foi gravada dentro de uma fibra com perfil em degrau hidrogenada (24 horas, 200 atm, 70 °C), relativamente alta dopagem com Ge e sem boro (r núcleo ≈ 2 µm, GeO2 ≈ 10.5 mol %, Δnco/cl = 0,012), usando um laser de Ar+ com saída dobrada em frequência em 244 nm, (P ≈ 50 W/cm2, fluência acumulada ≈ 6 – 12 kJ/cm2). Essas redes de tipo I são muito fortes e através de simulação obteve-se amplitude de modulação no índice de refração Δnmod aproximado de 1,6x10-3, consistente com uma rede com intensidade > 120 dB. Através da utilização de um micro forno de ultra-alta temperatura, foi realizado o annealing nas redes. Em 950 °C foi observado o início da regeneração, ao longo do tempo a rede semente desaparece completamente, a rede regenerada aparece. A rede regenerada teve intensidade maior que 50 dB. Simulação numérica indicou uma modulação de índice de refração aproximado de 1,55x10-4 (CANNING et al., 2009)..

(29) 27. 1.3 OBJETIVO GERAL O relativamente baixo limite de temperatura de operação das FBGs restringe o seu uso em muitas aplicações. O desenvolvimento de transdutores a fibra ótica, baseados em FBG, para medições na presença de altas temperaturas, da ordem de 300 °C – 800 °C e por longo tempo é o objetivo do presente trabalho. 1.3.1 Objetivos Específicos - Estudo da influência de parâmetros de gravação nas características térmicas dos dispositivos. - Estudo da influência do tipo de fibra nas características térmicas dos dispositivos. - Estudo da influência dos pré e pós-tratamentos das fibras óticas nas características dos dispositivos. - Levantamento das características da durabilidade, estabilidade e sensibilidade térmica para os dispositivos..

(30) 28. 1.4 ESTRUTURA DESTE TRABALHO Neste trabalho foi descrito no capítulo 1 vários resultados tratando das redes de Bragg convencionais e regeneradas voltados à medição em altas temperaturas. O capítulo 2 inicia com a apresentação das características principais das redes de Bragg, posteriormente com a classificação os diversos tipos de redes e termina descrevendo a técnica de gravação de redes utilizando máscara de fase, com exposição direta ao feixe UV. No capítulo 3 apresenta-se a metodologia utilizada neste trabalho. O capítulo 4 traz os resultados obtidos e, finalmente, no capítulo 5 são apresentadas as conclusões e as propostas para os trabalhos futuros..

(31) 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA. 2.1 REDES DE BRAGG COMO SENSOR TÉRMICO E DE DEFORMAÇÃO. 2.1.1 Rede de Bragg em Fibra Ótica A rede de Bragg em fibra ótica (FBG) consiste de uma alteração periódica produzida no índice de refração do núcleo da fibra ao longo do seu eixo, como ilustrado na figura 1. A FBG apresenta a característica de acoplar a luz incidente do modo propagante no núcleo para o modo contra-propagante em uma faixa estreita de comprimentos de onda. Ao incidir luz com espectro de banda larga em uma fibra ótica que contém uma rede de Bragg, ocorre a reflexão de uma fração da banda através do efeito de espalhamento coerente nas interfaces que separam as regiões com índices de refração diferentes. O comprimento de onda central do espectro de reflexão ocorre próximo ao comprimento de onda de Bragg, λB, da rede, o qual é dado por (HILL e MELTZ, 1997):. λB = 2 neff Λ. (1). onde neff é o índice de refração efetivo do modo propagado e Λ é o período da rede.. I. I. λ λ I. λ Figura 1 - Desenho esquemático de uma rede de Bragg uniforme e os sinais incidente, refletido e transmitido, baseado em (OTHONOS e KALLI, 1999)..

(32) 30. 2.1.2 Sinal Refletido pela Rede de Bragg Uniforme Ao considerar uma rede de Bragg uniforme gravada no interior do núcleo de uma fibra ótica com um índice de refração médio, no, o perfil de índice de refração pode ser expresso por (OTHONOS e KALLI, 1999).. 𝑛(𝑧) = 𝑛! + 𝛥𝑛 𝑐𝑜𝑠(. !!" !. ). (2). onde 𝛥𝑛 é amplitude da modulação induzida no índice de refração (valores típicos 10-5 a 10-3) e z é a distância ao longo do eixo longitudinal da fibra. Ao utilizar teoria de modos acoplados (LAM e GARSIDE, 1981) que descreve as propriedades da reflexão para uma rede de Bragg, a amplitude do sinal refletido por uma rede com amplitude de modulação e período constantes é dado pela seguinte expressão: ! ! !"#! ! (!"). 𝑅(𝑙, 𝜆) = !" ! !"#!!. !" ! ! ! !"#! ! (!"). (3). onde R(l, λ) é a amplitude do sinal refletido, que é função do comprimento da rede l e do comprimento de onda λ. Ω é o coeficiente de acoplamento, Δk = k-π/λ é a variação do vetor de onda, k = 2πno/λ é a constante de propagação e s2 = Ω2 - Δk2. O coeficiente de acoplamento, Ω, para uma modulação de índice senoidal ao longo do eixo da fibra é dado por:. 𝛺 = . !"# !. 𝑀!. (4). onde Mp é a fração do modo de potência confinado no núcleo da fibra. No caso da rede escrita uniformemente no núcleo, Mp pode ser aproximado por 1-v-2, onde v é a frequência normalizada da fibra, v = (2𝜋/λ)a(nco2-ncl2)1/2 onde a é o raio do núcleo, nco e ncl são respectivamente os índices de núcleo e casca. No comprimento de onda central de Bragg não há a variação do vetor de onda e Δk = 0, portanto a expressão para a amplitude do sinal refletido torna-se: 𝑅 𝑙, 𝜆 = 𝑡𝑎𝑛ℎ! (𝛺𝑙). (5).

(33) 31. A amplitude do sinal refletido aumenta se a modulação induzida no índice de refração aumentar. De forma similar, se o comprimento da rede aumenta o mesmo acontece com a amplitude do sinal refletido. Uma expressão geral aproximada para a largura máxima do espectro da rede à meia altura é dada por (RUSSELL et al., 1993):. ∆!. !. 𝛥𝜆 = 𝜆! 𝑠 [(!! )! + ( !)! ] !. (6). onde N é o número de planos da rede. O parâmetro s é aproximadamente 1 para redes fortes (com aproximadamente 100 % de reflexão) enquanto que s é aproximadamente 0,5 para redes fracas.. 2.1.3 Sensor Térmico e de Deformação Qualquer perturbação que altere o índice de refração efetivo do modo propagado ou o período de modulação da FBG altera o comprimento de onda de Bragg, assim, pode-se medir um determinado parâmetro por meio do deslocamento espectral do pico refletido pela rede de Bragg. Essa característica torna a FBG um sensor intrínseco para temperatura, deformação e pressão, já que essas perturbações podem alterar o índice de refração e/ou o período da rede (KERSEY et al., 1997). Na aplicação da FBG como um transdutor de temperatura, uma variação de temperatura, ΔT, acarreta num desvio de comprimento de onda ΔλBT, expresso por (KERSEY et al., 1997):. ΔλBT = λB(α + ξ)ΔT. (7). onde α é o coeficiente de expansão térmica do material da fibra e ξ é o coeficiente termoótico da fibra. O coeficiente dominante é este último, sendo que o anterior só é significativo em temperaturas superiores a 800 °C. Para a fibra de sílica padrão, a sensibilidade do comprimento de onda da FBG à temperatura, em 1550 nm, é de aproximadamente 13 pm/°C..