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TESIS “Aplicación de las rejillas de Bragg en fibra óptica para medición de vibraciones en eventos de baja frecuencia” Presenta: Ing. Héctor Arellano Sotelo Asesor: Dr. Iouri Barmenkov Como requisito para obtener el grado de Maestro en Ciencias (Ópticas) León, Guanajuato, México, Agosto del 2006 Justificación Los sensores basados en rejillas de Bragg se emplean de manera cotidiana en países altamente desarrollados para estudiar los efectos de las tensiones en estructuras civiles (edificios, puentes, etc.) En nuestro país existe la necesidad de desarrollar un método para medir las condiciones estructurales de caminos y puentes en forma continua. Muchos camiones de carga transportan material con un peso superior al permitido, esto produce daños en la superficie de los puentes y caminos. Determinar el grado de deterioro de puentes usando métodos convencionales es muy complicado y requiere de un equipo costoso. La idea de usar un sistema de fibra óptica basado en rejillas de Bragg surge debido a que el tiempo de vida de los sensores es de más de 100 años además, es fácil incluir varios sensores a lo largo de una misma estructura para obtener mediciones en diferentes puntos y presenta las características inherentes de los sensores de fibra óptica. La investigación presentada en este documento tiene como propósito principal el de analizar la respuesta de un sensor de fibra óptica basado en rejilla de Bragg para medir vibraciones de baja frecuencia para una futura aplicación en el monitoreo estructural de puentes y estructuras civiles. iii Esta es la etapa inicial en el diseño de un prototipo de sensor de rejilla de Bragg para la aplicación antes mencionada, se pretende en un futuro contrastar estos resultados con resultados obtenidos con equipo de monitoreo convencional. Por el momento, se muestran en este trabajo los primeros resultados alcanzados con las limitaciones que impone el no contar con una estación de grabado de rejillas que permita desarrollar una técnica de grabación adecuada con las propiedades ideales para el diseño de un prototipo final de un sensor de vibración. iv Resumen El presente trabajo tiene como objetivo el de analizar experimentalmente el comportamiento de las rejillas de Bragg cuando son sometidas a vibraciones de baja frecuencia para su futura aplicación como elementos sensores en el monitoreo del estado de puentes y estructuras civiles. Comprende un estudio adicional de la respuesta de la rejilla a cambios de temperatura y esfuerzo. El proyecto de tesis fue meramente experimental y se reportan aquí los resultados obtenidos en cada una de las pruebas realizadas. La tesis está dividida en 5 capítulos. En el capítulo 1 se describen los fundamentos teóricos de una rejilla de Bragg, las técnicas de grabado y algunas de las aplicaciones de las mismas. El capítulo 2 ilustra el comportamiento de una rejilla de Bragg cuando se somete a cambios de temperatura y tensión obteniéndose para cada uno de estos parámetros su correspondiente sensibilidad. En el capítulo 3 se describe el procedimiento seguido para probar la respuesta de la rejilla de Bragg ante cambios estáticos y dinámicos de curvatura, además de comparar los resultados obtenidos con aquellos generados por un sensor específicamente diseñado para la medición de esfuerzos. En el capítulo 4 se propone un esquema de un sensor láser para mejorar la sensibilidad del dispositivo a cambios en la amplitud de las vibraciones. Finalmente se presentan las conclusiones y las propuestas de trabajo a futuro derivadas de este trabajo de investigación. v Índice Justificación………………………………………………………………... iii Resumen…………………………………………………………………..... v Capítulo 1 Rejillas de Bragg en fibras ópticas 1.1 Fundamentos de las rejillas de Bragg en fibras ópticas…………………………….. 1 1.2 Ecuaciones de acoplamiento de modos……………………………………………... 5 1.3 Fotosensibilidad…………………………………………………………………….. 9 1.4 Métodos de fabricación de rejillas de Bragg……………………………………....... 10 1.4.1 Holográfico……………………………………………………………....... 11 1.4.2 Interferométrico…………………………………………………………… 11 1.4.3 Máscara de fase……………………………………………………………. 14 1.5 Aplicación de las rejillas de Bragg………………………………………………….. 16 1.5.1 Sensores…………………………………………………………………… 16 1.5.2 Filtros en fibras……………………………………………………………. 17 1.5.3 Láseres…………………………………………………………………….. 18 1.5.3.1 Láseres semiconductores con rejillas en fibra…………………… 18 1.5.3.2 Láseres con rejillas en fibras activadas con tierras raras………... 18 1.5.3.3 Láseres con longitud de onda selectiva………………………….. 19 1.5.3.4 Láseres de doble frecuencia……………………………………... 20 1.5.4 Aplicaciones de las rejillas de Bragg al monitoreo estructural…………..... 20 Capítulo 2 Sensibilidad de las rejillas de Bragg a la temperatura y esfuerzos 2.1 Introducción…………………………………………………………………………. 22 2.2 Cálculo del cambio de la longitud de onda de Bragg ante cambios de temperatura y/o esfuerzo………………………………………………………………. 22 2.3 Respuesta de la rejilla de Bragg cuando se somete a cambios de temperatura manteniendo constante la tensión en la fibra………………………………... 26 2.3.1 Caracterización de una rejilla de Bragg de 1559.954 nm para sensar temperatura…………………………………………… 28 2.4 Respuesta de la rejilla de Bragg cuando se somete a cambios de tensión manteniendo constante la temperatura en la fibra………………………………………... 32 2.4.1 Caracterización de una rejilla de Bragg de 1559.954 nm para sensar esfuerzo………………………………………………. 33 Capítulo 3 Aplicación de las rejillas de Bragg a medición de vibraciones 3.1 Introducción…………………………………………………………………………. 37 3.2 Caracterización de una rejilla de Bragg de 1559.954 nm para sensar vibraciones…………………………………………………………………… 40 3.2.1 Experimento estático de curvatura………………………….……………... 40 3.2.2 Experimento dinámico de curvatura………….…………………………… 49 3.2.3 Modulación de la longitud de onda de reflexión de la rejilla de Bragg en amplitud……………………………………………………………... 55 Capítulo 4 Aplicación de los láseres de fibra óptica a sensores de vibración 4.1 Introducción…………………………………………………………………………. 62 4.2 Implementación del sensor láser de fibra óptica basado en rejilla de Bragg sin rejilla de periodo largo……………………………………………………... 64 4.3 Implementación del sensor láser de fibra óptica basado en rejilla de Bragg con rejilla de periodo largo…………………………………………………….. 68 Conclusiones…………………………………………………………………………... 75 Apéndices A. Modelación matemática en MATHCAD del espectro de reflexión de una rejilla de Bragg ……….………………………………………... 78 B. Modelación matemática en MATHCAD del comportamiento de la rejilla de Bragg cuando es sometida a variaciones en la amplitud de vibración………………………………………… 82 Bibliografía……………………………………………………………………………. 83 Capítulo 1 Rejillas de Bragg en fibras ópticas. 1.1 Fundamentos de las rejillas de Bragg en fibras ópticas. Una rejilla de Bragg es definida como una modulación periódica del índice de refracción a lo largo de una sección pequeña del núcleo de una fibra óptica con la habilidad de reflejar un pico espectralmente angosto de la luz guiada por la fibra. En la figura 1.1 se muestra el bosquejo de una rejilla de Bragg. Figura 1.1 Esquema de una rejilla de Bragg en fibra óptica 1 La reflectividad de las rejillas de Bragg depende en gran medida de la longitud de onda de la luz y alcanza el máximo en la longitud de onda de Bragg, que corresponde a la condición de resonancia de la rejilla misma. La luz guiada a través del núcleo de una fibra óptica, es esparcida por cada uno de los planos de la rejilla y aquella que no coincide con la longitud de onda de resonancia, λB, experimenta una reflexión débil en cada plano. Así mismo, sí la condición de Bragg no se cumple, la luz reflejada por cada plano estará fuera de fase y como consecuencia será cancelada. Por otra parte, cuando la condición de Bragg se satisface la luz reflejada por cada plano se sumará constructivamente formando un pico de reflexión a la longitud de onda central definida por los parámetros de la rejilla. La condición de Bragg es simplemente el requerimiento de que se cumpla tanto la conservación de la energía como del momento. La conservación de la energía (ћω1=ћω2) se refiere a que la frecuencia de la radiación incidente y de la reflejada sea la misma. La conservación del momento indica por su parte que la suma del vector de onda incidente ki, y el vector de onda de la rejilla Κ, debe de ser igual al vector de onda de la radiación esparcida kf, esto es (ki+Κ=kf) (1.1) donde el vector de onda K, tiene una dirección normal al plano de la rejilla con magnitud 2π/Λ (siendo Λ el espaciamiento o periodo de la rejilla). La magnitud del vector de onda incidente ki, es igual a la del vector de onda de la radiación esparcida 2 kf, pero de dirección opuesta | kf | = | ki | = 2πneff/λB, esta condición se ilustra en la figura 1.2. Por lo tanto la condición de conservación del momento se reduce a ⎛ 2πn eff 2⎜ ⎝ λB ⎞ 2λ ⎟= ⎠ Λ (1.2) la cual se simplifica a la condición de Bragg λB = 2neffΛ (1.3) donde λB es la longitud de onda central de la luz reflejada por la rejilla de Bragg neff es el índice de refracción efectivo del núcleo de la fibra óptica Una rejilla de λB ~ 1550 nm y neff ~ 1.45615 puede llegar a tener una longitud L ~ 10 mm ( o más ) con un periodo fundamental de Λ ~ 532.23 nm[1]. Figura 1.2. Representación de los vectores de onda incidente, refractado y transmitido en una rejilla de Bragg. 3 Una rejilla de Bragg en fibra óptica tiene la propiedad de reflejar un pico espectralmente angosto de la luz guiada, centrado a la longitud de onda de Bragg dada por la expresión 1.3. El perfil del índice de refracción de la rejilla puede expresarse como: n(z) = neff + ∆n cos(2πz/Λ) (1.4) donde ∆n es la amplitud de la perturbación inducida en el índice de refracción neff índice de refracción del núcleo Λ periodo de le rejilla La longitud de onda de resonancia de una rejilla de Bragg puede sufrir corrimientos debido a variaciones en la temperatura o a esfuerzos mecánicos aplicados, tal y como se demuestra en los siguientes párrafos. De la relación 1.3 se puede encontrar una expresión para determinar los efectos de estos dos parámetros. dλ B ⎡⎛ 1 δΛ 1 δn eff = ⎢⎜ + λ B ⎢⎣⎜⎝ Λ δT S n eff δT ⎞ ⎛ 1 δn eff ⎟⎟ dT+ ⎜ 1+ ⎝ n eff δS S⎠ ⎞ ⎤ ⎟ dS⎥ ⎥⎦ T⎠ (1.5) 4 El primer término en la expresión anterior representa el efecto de la temperatura y el segundo el efecto elástico en la fibra óptica, donde: 1 ∂Λ ≡ αT Λ ∂T s constante de expansión térmica de la fibra 1 δn eff n eff δT coeficiente termo óptico ≡ψ S 1 δn ≡ pe n eff δS T constante foto elástica Una vez que la rejilla es impresa en el núcleo de una fibra de sílice dopada con germanio, los parámetros αT, ψ y pe quedan definidos, por lo que la ecuación 1.5 se simplifica de la siguiente manera dλ B = ⎡( α T + ψ ) dT+ (1+pe ) dS⎤⎦ = Adt + BdS λB ⎣ (1.6) 1.2 Ecuaciones de acoplamiento de modos. Si el campo incidente en una rejilla tiene una longitud de onda λ cercana a la longitud de onda de Bragg λB, experimentará una reflexión intensa debido a la interferencia constructiva de la ondas reflejadas por cada periodo de la rejilla. La longitud de onda de Bragg para una rejilla uniforme con un índice de refracción promedio n y periodo Λ está dada por λB = 2nΛ. La longitud de onda de reflexión, λB, depende tanto de la longitud de camino óptico en cada periodo como del índice de refracción promedio. Esta banda de reflexión está asociada a una banda fotónica 5 prohibida en la rejilla, en éste intervalo de frecuencias no hay soluciones para el campo electromagnético. Para obtener una descripción matemática de las propiedades de la rejilla se hace uso de la teoría de modos acoplados[2,3]. Esta aproximación, la cual es válida para pequeñas profundidades de modulación, permite trabajar con las amplitudes de las ondas incidentes y reflejadas en la rejilla de Bragg. En una guía de onda ideal los modos son ortogonales y no hay ningún mecanismo que permita el intercambio de energía entre ellos. Sin embargo, cuando la estructura de la guía presenta una perturbación se fuerza a un acoplamiento entre los modos. Las ecuaciones de acoplamiento de modos usadas para describir el espectro de una rejilla de Bragg son dA = iζA + iκB dz (1.7) dB = −iζB + iκA dz donde AyB son las amplitudes del campo incidente y reflejado respectivamente. 6 ⎛1 1 ⎞ ξ = 2πn eff ⎜ − ⎟ ⎝ λ λB ⎠ κ= es el vector de onda de sintonización π n1 λ es el coeficiente de acoplamiento n1 es el índice de refracción modulado en el núcleo de la fibra óptica Para una rejilla de Bragg la interacción dominante yace cerca de la longitud de onda a la cual la reflexión de un modo de amplitud A da lugar a un modo de amplitud B que se propaga en la dirección opuesta. La teoría de modos acoplados es una de las técnicas más comúnmente utilizadas para describir el comportamiento de las rejillas de Bragg, debido principalmente a su simplicidad y precisión en el modelado de las propiedades ópticas de las rejillas de Bragg. Utilizando la teoría de acoplamiento de modos, se establece que la reflectividad de una rejilla con amplitud de modulación y periodo constante está dada por[2,3]: R= κ 2sinh 2 (εL) ξ2sinh 2 (εL) + ε 2 cosh 2 (εL) (1.8) donde L es la longitud de la rejilla 7 En las figuras 1.3 y 1.4 se presentan para mayor claridad los espectros característicos de una rejilla de Bragg de 1545 nm obtenidos en forma experimental y ESCALA DE POTENCIA NORMALIZADA teórica respectivamente (apéndice A). 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 1544.0 1544.5 1545.0 1545.5 1546.0 λ (nm) Figura 1.3 Espectro de reflexión característico de una rejilla de Bragg obtenido en forma experimental. 0.8 R1100 , j R2100 , j 0.6 R3100 , j R4100 , j 0.4 R5100 , j 0.2 0 1559.8 1559.85 1559.9 1559.95 1560 1560.05 1560.1 1560.15 λj Figura 1.4 Espectros de reflexión característicos de una rejilla de Bragg con reflectividades de 30%, 50%, 70% , 90% y 95% respectivamente, todos ellos obtenidos en forma teórica. 8 A la longitud de onda de Bragg no hay vector de onda de sintonización y ξ= 0, por lo tanto la expresión para la reflectividad en este caso se reduce a R MAX = tanh 2 (κL) (1.9) La reflectividad es función lineal tanto del índice de refracción inducido como de la longitud de la rejilla. Los lóbulos laterales del espectro de reflexión son debidos a las múltiples reflexiones en las terminales de la rejilla. 1.3 Fotosensibilidad. Cuando una fibra óptica es radiada con luz ultravioleta el índice de refracción de la fibra es modificado permanentemente; este efecto se denomina fotosensibilidad[4,5]. El cambio en el índice de refracción es permanente en el sentido de que durará por varios años (tiempo de vida aproximado de hasta 25 años). Inicialmente la fotosensibilidad fue entendida como un fenómeno asociado solamente a fibras con núcleo dopado con germanio. Posteriormente, la fotosensibilidad fue observada en una amplia variedad de fibras, muchas de las cuales no contenían germanio como dopante. Sin embargo, las fibras ópticas con núcleo dopado con germanio siguen siendo las más empleadas en la fabricación de dispositivos basados en rejilla de Bragg. El cambio en el índice de refracción (∆n) depende de diferentes factores entre ellos: las condiciones de irradiación (longitud de onda e intensidad), la composición del núcleo de la fibra óptica y cualquier procesamiento de la fibra antes 9 y después de de la irradiación. Una gran variedad de láseres pulsados y de onda continua en diferentes rangos de longitud de onda, desde el visible al ultravioleta, han sido usados para foto inducir cambios en el índice de refracción de la fibra óptica. Las fuentes de luz más comunes son los láseres excimer de KrF y ArF que emiten en los 248 y 193nm respectivamente. Típicamente, el núcleo de la fibra óptica es expuesto a irradiación láser por algunos minutos a niveles pulsados de entre 100 a 1000 mJ cm-2 pulse-1. (pulsos por segundo). En estas condiciones el valor ∆n en una fibra monomodo dopada con germanio varía entre 10-5 y 10-3. El índice de refracción puede ser incrementado sometiendo a la fibra a un proceso de hidrogenización[4,5]. Para esto, una segmento de fibra se coloca dentro de una cámara que se encuentra a temperatura ambiente y que contiene hidrogeno sometido a una presión que puede varia desde las 100 a las 1000 atmósferas. Después de unos cuantos días, el hidrógeno en su forma molecular se difunde en la fibra de sílice. La fibra es retirada de la cámara de gas y es irradiada antes de que el hidrógeno logre escaparse de la estructura de la fibra. A través de este procedimiento se logran incrementos de hasta 100 veces en el índice de refracción fotoinducido en el núcleo de la fibra óptica. 1.4 Métodos de fabricación de rejillas de Bragg. A continuación se describen algunas técnicas de fabricación de rejillas de Bragg en fibras ópticas de vidrio. 10 1.4.1 Holográfico.[6] El proceso de impresión holográfico se hace puliendo el revestimiento de la fibra para tener acceso al campo evanescente del núcleo, o empleando una fibra con sección en “D”. Luego se coloca foto resina y se expone holograficamente usando un láser de longitud de onda corta. Después, normalmente se aplica una película de índice de refracción alto para incrementar el campo y optimizar su interacción con las corrugaciones de la rejilla. 1.4.2 Interferométrico. En este caso la elaboración de las rejillas de Bragg depende de los parámetros de interferencia que se producen entre dos rayos de luz coherente cuando se intersectan uno con el otro a un ángulo dado[7]. Esta situación se muestra en la figura 1.5. Esta técnica ha sido usada en una configuración en la cual una fibra óptica monomodal sensibilizada con germanio es expuesta al patrón de interferencia. En el núcleo de la fibra se produce una periodicidad del índice de refracción en una variación longitudinal a lo largo de la fibra. Este método requiere de un estricto control experimental para evitar todo tipo de vibraciones mecánicas externas. 11 Figura 1.5 Generación de una distribución periódica de intensidad. Se han reportado[8] dos técnicas interferométricas principales las cuales se describen brevemente a continuación. En la primera técnica se utiliza un divisor de haz para producir dos rayos, los cuales interfieren en una fibra usando dos espejos que los dirigen. El arreglo se muestra en la figura 1.6. En éste arreglo se permite que el ángulo entre los rayos sea variable para que el periodo del patrón de interferencia en la fibra pueda alterarse. Con ésta técnica es posible imprimir rejillas en 850 nm, 1100nm, 1300nm y 1500nm principalmente[9]. Una lente cilíndrica se utiliza para enfocar sobre la fibra. Este interferómetro es excelente para tiempos cortos de exposición, pero requiere de un cuidadoso diseño sí se quiere utilizar para tiempos largos de exposición. 12 Debido a que los espejos pueden transmitir vibraciones, cambios diferenciales en la longitud de la trayectoria pueden producir interferencia fuera de la rejilla o borrar el periodo de ella. Sin embargo, este arreglo es conveniente usando láseres de baja coherencia temporal de tal forma que la longitud de la trayectoria pueda hacerse idéntica. Se ha reportado que este tipo de interferómetro y sus variaciones pueden imprimir rejillas con un solo pulso de luz UV mientras que la fibra se manufactura. Figura 1.6 Interferómetro de espejos usado para imprimir rejillas La segunda técnica alternativa se muestra en la figura 1.7, en ella, un rayo de luz UV se dirige de la hipotenusa de un prisma de noventa grados hacia la cara perpendicular y a la fibra. 13 Figura 1.7. Interferómetro de prisma para imprimir rejillas en fibra óptica La fibra se coloca en la cara inferior del prisma y se hace una lente cilíndrica para hacer que el rayo tenga un foco lineal sobre ella. Debido a que el interferograma se forma al juntar los rayos, este interferómetro requiere el uso de una fuente con coherencia espacial[10]. El interferómetro es intrínsecamente estable, debido a que la diferencia de trayectoria se genera con un prisma y permanece inafectada por vibraciones. Con ésta técnica se han reportado tiempos de exposición de alrededor de 8 horas[10]. En ambos métodos se requiere una alineación angular cuidadosa del interferómetro para escoger la longitud de onda de reflexión deseada. 1.4.3 Máscara de fase.[8] Las técnicas mencionadas anteriormente no son convenientes para escribir rejillas con la misma longitud de onda en forma reproducible, debido a que es muy difícil lograr reproducir el patrón de interferencia entre los rayos. Sin embargo, existe 14 una técnica simple, mostrada en la figura 1.8, la cual resuelve el problema de reproducibilidad; esta ésta basada en la replicación de una rejilla de relieve formada como una máscara de fase en transmisión. Un rayo UV se difracta por la máscara en los ordenes -1, 0 y +1. Figura1.8 Técnica de impresión holográfica basada en una máscara de fase Este método de fabricación es altamente estable, e insensible a traslaciones de rayos, y es extremadamente compacto. Esta técnica permite que las rejillas se repliquen en el núcleo de la fibra[11]. El método de máscara de fase ha simplificado la producción de rejillas bajando los requerimientos del láser tanto en coherencia espacial, como en coherencia temporal. 15 1.5 Aplicación de las rejillas de Bragg.[8] La demanda de componentes basados en fibras ópticas se ha incrementado con el desarrollo de nuevas redes de comunicación. Existe un gran número de dispositivos que pueden desarrollarse con fibras foto sensitivas. Estos incluyen filtros de reflexión de ancho de banda ancho y angosto, fibras láser y láseres semiconductores con rejillas en cavidad láser externa, filtros pasabandas, etalones de fabry-perot a base de rejillas de Bragg, compensadores de dispersión, fuentes láser de doble frecuencia con anchos de línea estrechos, fuentes de pulsos no lineales, fuentes de solitones, y aplicaciones en redes sensoras. 1.5.1 Sensores[8] Desde los primeros experimentos realizados en el grabado de rejillas de Bragg en una fibra óptica, se encontró que estos dispositivos tenían una importante dependencia de la temperatura y el esfuerzo aplicado externamente. La principal ventaja de este dispositivo es que la respuesta que entrega está codificada en longitud de onda (una cantidad absoluta), lo que lo hace un sensor autoreferenciable (es decir no necesita señal de referencia). La respuesta de una rejilla es inmune a las fluctuaciones de potencia de la fuente y las pérdidas en los conectores. Las bajas pérdidas de inserción y el angosto ancho de banda de reflexión de las rejillas es una ventaja que se puede aprovechar en el desarrollo de sistemas multiplexados. 16 Además las rejillas poseen las ventajas inherentes a las fibras ópticas, por ejemplo, inmunidad a la interferencia electromagnética, flexibilidad, estabilidad, tolerancia a las altas temperaturas, ligeras, e incluso durabilidad en un medio con altos niveles de radiación. Los sensores basados en rejilla de Bragg pueden ser aplicados para medir esfuerzo, presión, voltaje, campos magnéticos y eléctricos, corriente, flujo, vibraciones, perturbaciones acústicas, y muchos otros parámetros[8]. 1.5.2 Filtros en fibras.[8] Existen rejillas con anchos de banda que van desde los 0.05 nm[12] a 20 nm[13], que son utilizadas como filtros de ancho de banda estrecho. Estos filtros pueden utilizarse como controladores de elementos que estabilizan láseres semiconductores o láseres DBR (Distributed Bragg Reflector), reflectores de ancho de banda angosto para fibras laser, o simplemente como reflectores de estrecho ancho de banda para una gran variedad de aplicaciones. Se pueden imprimir múltiples rejillas reflectoras, en una sola pieza de fibra para generar un gran número de reflexiones[10,14,15]. 17 1.5.3 Láseres.[8] 1.5.3.1 Láseres semiconductores con rejillas en fibra. Los láseres semiconductores pueden recubrirse con capas antirreflectoras en la cara de salida; entonces sí se acopla una fibra mediante la ayuda de un lente, y luego se empalma en el otro extremo de ésta misma fibra con una rejilla reflectora, se forma un resonador que permite que el láser oscile en la longitud de onda de Bragg de la rejilla. El ancho de banda de la rejilla puede ser estrecho para que con esto se obligue la operación a una sola longitud de onda. 1.5.3.2 Láseres con rejillas en fibras activadas con tierras raras. Las rejillas reflectoras en fibras en 1550 nm fueron las primeras que se aplicaron a las fibras láser[10]. Las rejillas pueden imprimirse también directamente en la fibra activada con tierras raras[16,17,18], pero debido a que las fibras tienen muy poco o nada de germanio en el núcleo, es más difícil de imprimir rejillas que en aquellas que están altamente activadas con germanio; sin embargo esto se ha logrado. Estas rejillas pueden usarse para formar cavidades láser de bajas pérdidas, debido a que no hay pérdidas por fusión. A pesar de todo puede ser más conveniente imprimir las rejillas en una fibra aparte y aceptar las pérdidas adicionales por empalme[19]. 18 La siguiente tabla muestra las principales longitudes de onda de emisión láser para fibras ópticas dopadas con diferentes iones de tierras raras. Ion Longitudes de onda de emisión típicas neodymio (Nd3+) yterbio (Yb3+) erbio (Er3+) thulio (Tm3+) praseodymio (Pr3+) 1.03-1.1 µm, 0.9-0.95 µm, 1.32-1.35 µm 1.0-1.1 µm 1.5-1.6 µm, 2.7 µm, 0.55 µm 1.7-2.1 µm, 1.45-1.53 µm, 0.48 µm, 0.8 µm 1.3 µm, 0.635 µm, 0.6 µm, 0.52 µm, 0.49 µm Tabla 1.1. Longitudes de onda de emisión típicas en láseres de fibra óptica dopada con iones de tierras raras. 1.5.3.3 Láseres con longitud de onda selectiva. El ancho de banda de ganancia de las fibras activadas con tierras raras o el de un láser semiconductor se extiende sobre decenas de nanómetros. Es posible hacer operar el láser a la longitud de onda de Bragg de una rejilla una vez que ésta se empalma a la fibra activada o se acopla al semiconductor. Sin embargo algunas veces es necesario cambiar la longitud de onda de laseo sin la complicación de empalmar otra rejilla. Un dispositivo que supera estas limitaciones es precisamente el láser de longitud de onda selectiva[20]. Este dispositivo ha sido posible solo con rejillas de reflexión de ancho de banda estrecho. La característica esencial de este láser es la fácil conectorización tanto del medio con ganancia como de las rejillas reflectoras. Ambos reflectores de la cavidad son removibles mediante un conector mecánico. Con el solo cambio del reflector de fibra conectorizado, es posible cambiar la longitud de onda del laseo. Este principio se ha demostrado con fibras activadas y con láseres semiconductores[20]. 19 1.5.3.4 Láseres de doble frecuencia. Debido a que las rejillas de reflexión en fibra tienen un ancho de banda estrecho, es posible conectar dos rejillas en serie y forzar a un láser a operar con dos longitudes de onda de una manera simultánea [21]. Por ejemplo, una longitud corta de fibra activada con erbio se puede empalmar con dos rejillas reflectoras a diferentes longitudes de onda de Bragg. El otro extremo de la fibra se coloca de una manera adecuada a un espejo altamente reflector. Cuando se bombea con un láser de zafiro activado con titanio a 980nm dos picos de emisión son observados. La salida es una señal de 60GHz y cada línea de laseo tiene un ancho de línea de menos de 1GHz. 1.5.4 Aplicaciones de las rejillas de Bragg al monitoreo estructural.[22] Normalmente las rutinas de inspección de las estructuras civiles tales como puentes, presas, túneles, edificios, etc., dependen de una inspección visual periódica. El uso de sensores ópticos modernos da lugar a mediciones en tiempo real, que monitorean la formación y evolución de defectos estructurales. La ventaja de las fibras ópticas es que pueden ser adheridas a estructuras ya existentes o bien embebidas en concreto. Una de las aplicaciones más importantes de las rejillas de Bragg es su aplicación como sensor para monitorear la distribución de esfuerzos en este tipo de estructuras. 20 Las rejillas de Bragg en fibra óptica son elementos sensores simples e intrínsecos que tienen la capacidad inherente de auto reverenciarse y multicanalizarse a lo largo de una fibra óptica. Estas ventajas de las rejillas de Bragg sobre otro tipo de sensores de fibra óptica, las han hecho muy atractivas para el desarrollo e implementación de muchos sistemas prácticos para el monitoreo de grandes estructuras[22] y de objetos con acceso difícil para su inspección[23,24] Para el sensado en distintos puntos distribuidos de manera discreta a lo largo de la fibra óptica o sensado cuasidistribuido en monitoreo estructural, se han desarrollado diferentes técnicas de multicanalización. Entre ellas se encuentra la técnica de multicanalización por división de longitud de onda que permite utilizar de 10 a 20 rejillas, con longitudes de onda de Bragg diferentes, en un solo arreglo de sensores. Por otro lado, la multicanalización por división de tiempo puede incrementar este número mediante la reutilización del espectro de la fuente[25]. Si embargo, en orden de incrementar significativamente el número de sensores multicanalizados, se han desarrollado técnicas que combinan la multicanalización por división de onda con la multicanalización por división de tiempo, del espacio y de la frecuencia[27]. 21 Capítulo 2 Sensibilidad de las rejillas de Bragg a la temperatura y esfuerzos. 2.1 Introducción. En este capítulo se presentan los fundamentos teóricos de la sensibilidad de las rejillas de Bragg a la temperatura y al esfuerzo, así como los resultados prácticos de la caracterización de la rejilla de bragg con λB = 1559.954 nm obtenidos para los dos parámetros mencionados. 2.2 Cálculo del cambio de la longitud de onda de Bragg ante cambios de temperatura y/o esfuerzo. La longitud de onda de Bragg, a incidencia normal, está dada por la ecuación 1.3. La base física para utilizar las rejillas de Bragg como elementos sensores de temperatura o esfuerzo tiene su origen en la expresión anterior; debido a la expansión térmica y mecánica del vidrio, la rejilla de Bragg exhibirá un corrimiento en λB cuando sea sometida a cambios de temperatura o esfuerzo. 22 Tomando la variación de la longitud de onda de Bragg debido a un cambio del periodo de la rejilla y a un cambio en el índice de refracción promedio se obtiene dλ B = 2[n ⋅ dΛ + Λ ⋅ dn] (2.1) Estos cambios en el periodo de la rejilla o en el índice de refracción se deben a cambios de temperatura (T) o deformación longitudinal (S) sobre la rejilla misma. Si se supone que la deformación se debe únicamente a esfuerzos externos aplicados a la fibra, entonces ⎡ ⎛ ∂Λ ∂Λ ∂n ⎞ ⎛ ∂n ⎞⎤ dλ B = 2 ⎢ n ⎜ S dT + T dS ⎟ + Λ ⎜ S dT + T dS ⎟ ⎥ ∂S ∂S ⎠ ⎝ ∂T ⎠⎦ ⎣ ⎝ ∂T (2.2) En la expresión anterior dS se define como la deformación longitudinal relativa que surge de aplicar la fuerza externa dF (N) sobre cierta unidad de área. A través de un simple análisis de elasticidad[23] se tiene que la relación entre la deformación longitudinal (dS) y el esfuerzo aplicado a la fibra (dF) está dado por: dF = Y ⋅ a ⋅ dl ≡ Y ⋅ a ⋅ dS l0 (2.3) 23 donde dS está definido como la deformación longitudinal relativa de la fibra, es decir dl / l0 (variación relativa de la longitud de la fibra). Y es el módulo de Young del núcleo de Sílice activado con Germanio, y es aproximadamente igual a 7.4x1010 N/m2. [28] dF está definido como el esfuerzo aplicado a una fibra óptica. a es el área transversal de la fibra óptica (diámetro ≈ 125 µm). Agrupando los términos que varían con la temperatura dT por un lado, y los términos que varían con la deformación dS por el otro, la variación de la longitud de onda de Bragg es ⎡⎛ ∂Λ ∂n ⎞ ∂n ⎛ ∂Λ dλ B = 2 ⎢⎜ n S+ Λ S ⎟ dT + ⎜ n T +Λ ∂T ⎠ ∂S ⎝ ∂S ⎣⎝ ∂T T ⎞ ⎤ ⎟ dS⎥ ⎠ ⎦ (2.4) De esta expresión se observa que existen dos variaciones independientes, dS y dT, sí se hace que una de estas dos variaciones permanezca constante y se divide la expresión por la longitud de onda de Bragg se obtiene una expresión más fácil de manejar. dλ B ⎛ 1 ∂Λ 1 ∂n ⎞ ⎛ 1 ∂Λ 1 ∂n =⎜ S+ S ⎟ dT + ⎜ T+ n ∂T ⎠ n ∂S λ B ⎝ Λ ∂T ⎝ Λ ∂S T ⎞ ⎟ dS ⎠ (2.5) 24 pero como ∂S = ∂l / l0 = ∂Λ / Λ , esto implica que dλ B ⎛ 1 ∂Λ 1 ∂n ⎞ ⎛ 1 ∂n =⎜ S+ S ⎟ dT + ⎜ 1 + λ B ⎝ Λ ∂T n ∂T ⎠ ⎝ n ∂S T ⎞ ⎟ dS ⎠ (2.6) Por lo tanto es fácil identificar el coeficiente de expansión térmica αT, el coeficiente termo-óptico T.O. y el coeficiente elasto-óptico E.O. al expresar la ecuación anterior como: dλ B = ( α T + T.O.) dT + (1 + E.O.) dS λB (2.7) a lo cual se denota dλ B = A ⋅ dT + B ⋅ dS λB (2.8) que expresa la variación relativa de la longitud de onda de Bragg cuando se tienen cambios de temperatura o de esfuerzo en una rejilla de Bragg donde “A” es un coeficiente definido como la suma entre los coeficientes αT y T.O. “B” es un coeficiente definido como la suma 1 + E.O. 25 2.3 Respuesta de la rejilla de Bragg cuando se somete a cambios de temperatura manteniendo constante la tensión en la fibra. El corrimiento de la longitud de onda en una rejilla de Bragg cuando se somete a cambios de temperatura se produce debido a los siguientes factores: • el espaciamiento de la rejilla, y • el índice de refracción cambia por la expansión térmica en la fibra óptica Sí la rejilla de Bragg se mantiene libre de cambios en esfuerzo, la ecuación (2.8) toma la siguiente forma dλ B = AdT, λB (2.9) donde A ≈ 8.55x10-6[14] para una fibra de sílice dopada con germanio. La respuesta de una rejilla de Bragg a la temperatura es lineal sobre el rango cercano a los 120°C. El rango de operación de los sensores de temperatura basados en rejilla de Bragg está limitado por los siguientes factores: 26 • incremento significativo en el corrimiento de la longitud de onda por grado centígrado, siendo este incremento no lineal para temperaturas más allá de los 120°C [31]. • posible aparición de histéresis. • riesgo de que los cambios en el índice de refracción fotoinducido sean borrados definitivamente[32]. 27 2.3.1 Caracterización de una rejilla de Bragg de 1559.954 nm para sensar temperatura. Para iniciar la caracterización de la rejilla de Bragg cuando ésta se somete a cambios de temperatura, la sección de la fibra óptica donde se ha grabado la rejilla se deja libre de tensión y se coloca dentro de un horno donde se varía la temperatura en el rango de 24°C a 183°C . El arreglo óptico utilizado en el desarrollo del experimento se muestra en la figura 2.1. Figura 2.1 Arreglo óptico para la caracterización de la rejilla ante cambios de temperatura 28 El arreglo anterior incluye un láser semiconductor que opera en los 980 nm. La salida del láser se acopla a la entrada de un multiplexor por división de longitud de onda (WDM) 980 nm / 1550 nm, el cual permite bombear una sección de fibra óptica dopada con erbio, de una longitud de 10m y de una concentración de 300 ppm (mol), que tiene la función de generar una señal de amplio espectro tal y como se muestra en la figura 2.2. La señal de luz amplificada en los 1550 nm se recupera en uno de los extremos del WDM para ser dirigida al puerto de entrada de un acoplador de 3dB. La fibra óptica que contiene la rejilla de Bragg se empalma en una de las terminales de este acoplador, mientras que el puerto de salida del mismo se conecta directamente a un analizador espectral para observar el comportamiento del espectro óptico de reflexión de la rejilla de Bragg. -20 dBm -30 -40 -50 1400 1450 1500 1550 1600 1650 λ (nm) Figura 2.2. Espectro de emisión espontánea de la fibra dopada con erbio 29 Los resultados obtenidos en este experimento al variar la temperatura en el rango mencionado anteriormente se presentan en la figura 2.3, donde se puede observar un corrimiento del espectro óptico de reflexión de la rejilla, la cual tiene un pico de reflexión principal centrado en 1560.12 nm a temperatura ambiente (24°C) que se desplaza hasta 1562.05 nm cuando alcanza una temperatura de 187 °C, con una razón de cambio estimada de 0.0118 nm/°C ó 11.8 pm/°C. Cabe mencionar que el experimento se realizó solo una vez, es decir las mediciones no fueron repetitivas, debido a que el horno que se utilizo es muy inestable en el control de temperatura. λ B ESCALA DE POTENCIA NORMALIZADA 1.0 24 °C 33 °C 40 °C 84 °C 106 °C 128 °C 156 °C 187 °C 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 1559.5 1560.0 1560.5 1561.0 1561.5 1562.0 1562.5 λ (nm) Figura 2.3 Espectros ópticos de la rejilla a diferentes temperaturas De los resultados anteriores se puede establecer que el corrimiento de la longitud de onda de Bragg con la temperatura tiene un comportamiento netamente lineal, tal y como se indica en la figura 2.4. 30 Datos experimentales λB (nm) 1562.0 Aproximación lineal 1561.5 1561.0 1560.5 1560.0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Temperatura (°C) Figura 2.4 Longitud de onda de Bragg con respecto a Temperatura Como ya se ha especificado, la relación entre el incremento relativo de la longitud de onda reflejada y el cambio de temperatura (bajo tensión constante) está dado por dλ B = A ⋅ dT λB De esta expresión y tomando como base los resultados obtenidos, el valor del parámetro A para el caso particular del experimento es igual a 7.59x10-6 °C-1. 31 2.4 Respuesta de la rejilla de Bragg cuando se somete a cambios de tensión manteniendo constante la temperatura en la fibra. El efecto del corrimiento del espectro óptico de reflexión en una rejilla de Bragg cuando esta es sometida esfuerzos se debe a: • el cambio en el espaciamiento de la rejilla • al cambio en el índice de refracción debido al efecto foto elástico Asumiendo que no hay variaciones en la temperatura, la ecuación (2.8) se reduce a la forma siguiente: dλ B = BdS λB (2.10) donde B = 0.78 para una fibra de sílice dopada con germanio[34]. El límite elástico de la fibra óptica determina el rango dinámico sobre el cual ésta puede funcionar como sensor de esfuerzos. Ha sido reportado que una fibra dopada con germanio puede soportar esfuerzos de ≈ 11x104 µε sin romperla o fracturarla y con muy buena repetibilidad en los corrimientos en longitud de onda[35]. La sensibilidad típica al esfuerzo de una rejilla de Bragg uniforme es ~ 0.0012 nm/µε 32 2.4.1 Caracterización de una rejilla de Bragg de 1559.954 nm para sensar esfuerzo. El arreglo experimental utilizado para monitorear el comportamiento de la rejilla de Bragg cuando esta es sometida a cambios de tensión es similar al del experimento anterior y se muestra en la figura 2.5. Como se puede observar uno de los extremos de la rejilla queda sujeto de manera apropiada a un conjunto de pesas. El procedimiento que se siguió fue el de ir incrementando gradualmente el peso y en cada caso tomar el registro del espectro correspondiente. Figura 2.5. Arreglo para la caracterización de una rejilla de bragg ante de cambios de tensión en la fibra óptica 33 Se dispuso de dos juegos de 6 pesas de 1, 2, 3, 5, 20 y 30 gramos respectivamente, las combinaciones entre estas permitieron aplicar un peso máximo de 110 gramos. Para cada una de estas combinaciones se obtuvo un espectro de reflexión característico. La serie de espectros registrados en el analizador de espectros ópticos (OSA) para cada uno de los diferentes valores de tensión aplicados a la fibra óptica, se muestran en la figura 2.6. λB 0 (grs.) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 20 25 30 35 40 50 55 60 70 75 80 100 105 110 ESCALA DE POTENCIA NORMALIZADA 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 1559.5 1560.0 1560.5 1561.0 1561.5 1562.0 λ (nm) Figura 2.6 Espectros ópticos de la rejilla para diferentes tensiones en la fibra La representación de la variación de longitud de onda de Bragg con la fuerza aplicada se puede observar en la figura 2.7, de la cual también es posible afirmar que el comportamiento de este parámetro es lineal con la tensión. 34 PRESION (Pa) 7 0.0 7 2.0x10 7 4.0x10 7 6.0x10 8 8.0x10 1.0x10 1.6 1.4 1.2 ∆λΒ (nm) 1.0 ∆λΒ (nm)/Ν 0.8 Ajuste lineal ∆λΒ (nm)/Pa 0.6 Ajuste lineal 0.4 0.2 0.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 FUERZA (N) Figura 2.7 Longitud de onda de Bragg con respecto a la deformación En el monitoreo de la rejilla ante cambios de esfuerzos se obtuvieron una serie de espectros desplazados desde la longitud de onda de 1560.12nm (esfuerzo = 0Nw) hasta 1561.52055nm (esfuerzo = 1.06639Nw). Con una razón de cambio estimada en 1.3133 nm/N. La relación entre el incremento relativo de la longitud de onda reflejada y el cambio de esfuerzo (bajo temperatura constante) está dado por: dλ B = BdS λB De esta expresión es posible determinar el valor de B, que para el caso particular del experimento es igual a 0.764 µε-1. La manera en la que se obtuvo este coeficiente fue haciendo uso de la relación del módulo de Young (2.12) para poder 35 conocer el cambio relativo de la longitud de la fibra (∆l/l0) y a través de un análisis sencillo llegar al valor de este parámetro. ∆L F = L YA (2.12) donde L es la longitud de la rejilla. ∆L es el cambio en la longitud de la rejilla. F la fuerza aplicada en la rejilla. Y es el modulo de Young. A es el área del núcleo de la rejilla. 36 Capítulo 3 Aplicación de las rejillas de Bragg a medición de vibraciones. 3.1 Introducción. La mayoría de los terremotos y temblores son eventos de baja frecuencia. Las rejillas de Bragg en fibra óptica pueden ser adheridas a estructuras civiles[22] y ser usadas para monitorear vibraciones durante el tiempo que este tipo de fenómenos se presenten. Por otra parte en la región de los 25 Hz, algunas pruebas de esfuerzos dinámicos o de vibraciones mediante el empleo de rejillas de Bragg pueden ser aplicadas en automóviles, aviones o trenes. El análisis de tales pruebas puede ayudar a los ingenieros a eliminar altos niveles de ruido y vibraciones indeseables que se presentan frecuentemente al interior de estos vehículos. Además de la aplicación de las rejillas de Bragg a estructuras civiles y vehículos, estas se pueden aplicar a maquinaria industrial para determinar la frecuencia y amplitud de las vibraciones presentes en ellas. En este capítulo se exponen los resultados obtenidos al someter la rejilla de Bragg a cambios de curvatura y vibraciones. 37 La formación de rejillas foto sensitivas en fibras ópticas fue reportada inicialmente en 1978 [36,37] . Se observó que un cambio periódico en el índice de refracción podía ser inducido en una fibra óptica de sílice dopada con germanio a través de la interferencia de dos rayos láser provenientes de un láser de argón a 488 nm ó 514.5 nm. Numerosas aplicaciones han sido propuestas para este tipo de dispositivos, incluyendo su uso como sensores de temperatura o esfuerzo. El desarrollo de sensores de fibra óptica basados en rejilla de Bragg para el monitoreo de vibraciones es una tema de investigación actual. La respuesta a la frecuencia de la reflectividad de una rejilla de Bragg puede ser calculada usando la teoría de modos acoplados. Sí se asume que la rejilla es uniforme a lo largo de la longitud de la fibra, la reflectividad esta dada por la ecuación 1.8. El pico de reflexión se dará cuando se cumpla la condición de Bragg, λB = 2n0 Λ . La presencia de vibraciones puede estirar la fibra, cuando esta es sujeta de manera uniforme a una superficie, y modificar tanto el periodo de la rejilla como el índice de refracción, causando un corrimiento en la longitud de onda de Bragg. Sí se asume un esfuerzo uniforme, el cambio en la longitud de onda del pico de reflexión se puede obtener tomando la derivada de λB = 2n0 Λ . Además, el cambio inducido por el esfuerzo en la sintonización es ⎛ 1 ∂n eff π ⎞ dL + ⎟ d(ξ) = ⎜ β Λ⎠ L ⎝ n eff ∂s (3.3) 38 donde 1 ∂n eff = -.29 n eff ∂s es el coeficiente elasto óptico de la sílice fundida[36] s es el esfuerzo dL es el cambio correspondiente en la longitud Λ es el periodo de la rejilla β = 2πneff/λ es la constante de propagación del modo guiado en la fibra óptica 39 3.2 Caracterización de una rejilla de Bragg de 1559.954 nm para sensar vibraciones 3.2.1 Experimento estático de curvatura. La caracterización inicial de nuestra rejilla como sensor para detectar vibraciones consistió en modificar la curvatura de esta para monitorear su comportamiento estático. Para lo anterior fue necesario acondicionar la rejilla en un empaque plástico que permitiera que fuese doblada fácilmente sin correr el riesgo de que se fracturara en alguna sección o bien de llevarla a una rotura. El empaque plástico se colocó sobre la sección que contenía la rejilla, luego se fijó a los extremos con un polímero de acrilato epóxico (epoxy acrilate polimer), el cual es utilizado para recubrir el núcleo de las fibras ópticas, cabe mencionar que éste material necesita un periodo de secado de aproximadamente 2 horas con luz UV, posteriormente se calentó el empaque hasta que redujo su tamaño y se adaptó perfectamente a la estructura de la fibra. El proceso de fabricación del sensor mencionado en los párrafos anteriores se ilustra claramente a través de una secuencia fotográfica la cual se presenta en las figuras 3.1, 3.2, 3.3, y 3.4. 40 Figura 3.1. Colocación de la sección de la fibra óptica que contiene la rejilla de Bragg a la mitad de los soportes mecánicos Figura 3.2. Ajuste del empaque plástico a la fibra óptica en la sección donde se encuentra la rejilla de Bragg 41 Figura 3.3. Secado con luz ultravioleta del polímero colocado en los extremos de la fibra. Figura 3.4. Calentamiento del empaque plástico con aire a una temperatura tal que permita reducir su tamaño hasta envolver perfectamente a la fibra. 42 Una vez que la rejilla ha sido preparada a través del proceso de encapsulado para poder someterla a cambios en su curvatura, se procede a montarla sobre una lámina flexible que permite que esta pueda tener un doblez suave. Una mesa de desplazamiento horizontal colocada en uno de los extremos de la lámina permite flexionarla y así cambiar su curvatura y por ende la curvatura de la rejilla. Este arreglo mecánico se muestra en la siguiente figura 3.5. Figura 3.5. Arreglo mecánico utilizado para flexionar la fibra óptica. Dispuestos los elementos anteriores se procede a realizar las pruebas del sensor a través del arreglo óptico que se muestra en la figura 3.6. 43 Figura 3.6. Arreglo óptico para sensar el cambio de curvatura de la rejilla de Bragg. El arreglo experimental incluye los mismos elementos que se utilizaron en los experimentos de las secciones 2.4.1 y 2.5.1. Las pruebas consistieron en una variación de la curvatura de la rejilla a través de la mesa de desplazamiento horizontal que se controla vía un tornillo milimétrico. Cada 0.5µm se registró el comportamiento del espectro óptico de reflexión de la rejilla de Bragg. Los espectros de reflexión capturados en el analizador de espectros que corresponden al experimento anterior, revelan un corrimiento hacia la izquierda conforme la flexión se extiende hacia el interior tal y como se puede apreciar en la gráfica de la figura 3.7. 44 DESPLAZAMIENTO DE λ B HACIA LA IZQUIERDA ESCALA DE POTENCIA NORMALIZADA 1.0 0 (µ m) -50 -100 -150 -200 -250 -300 -350 -400 -450 -500 -550 -600 -650 -700 -750 -800 -850 -900 -950 -1000 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 1556 1557 1558 1559 1560 1561 1562 λ (nm) Figura 3.7. Espectros de reflexión cuando la rejilla se flexiona hacia adentro Siguiendo el mismo procedimiento pero ahora flexionando la lámina hacia fuera se registraron los espectros que se muestran en la figura 3.8. DESPLAZAMIENTO DE λ B HACIA LA DERECHA 1.0 0.8 0 (µ m) 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 0.6 0.4 0.2 0.0 1556 1557 1558 1559 1560 1561 1562 λ (nm) Figura 3.8. Espectros de reflexión cuando la rejilla se flexiona hacia fuera 45 En este último caso como puede observarse los espectros ópticos se corren hacia la derecha. El espaciamiento entre cada uno de ellos es más corto que en el caso anterior, esto se debe a que la rejilla presenta una mayor sensibilidad al doblez en esta dirección debido a los detalles en su construcción. La figura 3.9 muestra la linealidad del corrimiento de los espectros en relación a la flexión para ambos casos. 1561.0 1560.0 1559.5 1560.5 1560.0 1560.5 1559.0 1558.5 1560.0 1561.0 1558.0 1560.5 1559.5 1559.0 1557.5 1557.0 -1000 1559.5 1560.0 1559.5 -800 -600 -400 -200 0 1559.0 1559.0 1558.5 1558.5 1558.5 1558.0 1557.5 1557.0 1558.0 0 200 400 600 800 1557.5 1000 1558.0 1557.5 -1000 -500 0 DESPLAZAMIENTO ( µm ) 500 1000 Figura 3.9. Comportamiento lineal de la longitud de onda central de la rejilla de Bragg conforme la flexión. Con la intención de comparar los resultados arrojados en las mediciones del experimento con otro sensor del mismo tipo se utilizó uno de la compañía o-eland el cual está especialmente diseñado para medir esfuerzos en puentes, construcciones y otras aplicaciones. Ambos sensores, tanto el diseñado en nuestro laboratorio como el de la compañía o-land se muestran en la figuras 3.10 y 3.11 respectivamente. 46 LONGITUD DE ONDA CENTRAL (nm) LONGITUD DE ONDA CENTRAL (nm) 1561.0 Figura 3.10. Sensor de fibra óptica basado en rejilla de Bragg para medir esfuerzos diseñado en nuestro laboratorio. Figura 3.11. Sensor o-eland de fibra óptica basado en rejilla de Bragg para medir esfuerzos. El experimento se repitió con este nuevo sensor y los resultados obtenidos se pueden apreciar en la figura 3.12, 3.13 y 3.14 respectivamente. 47 ESCALA DE POTENCIA NORMALIZADA DESPLAZAMIENTO DE λ B HACIA LA IZQUIERDA 1.0 0 µm -50 -100 -150 -200 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 1553.0 1553.5 1554.0 1554.5 λ (nm) 1555.0 1555.5 1556.0 Figura 3.12. Espectros de reflexión del sensor o-land cuando la rejilla se flexiona hacia adentro. DESPLAZAMIENTO DE λ B HACIA LA DERECHA ESCALA DE POTENCIA NORMALIZADA 1.0 0µm 50 100 150 200 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.0 1553.0 1553.5 1554.0 1554.5 λ ( nm ) 1555.0 1555.5 1556.0 Figura 3.13. Espectros de reflexión del sensor o-land cuando la rejilla se flexiona hacia fuera. 48 LONGITUD DE ONDA CENTRAL (nm) 1554.8 1554.7 1554.7 1554.6 1554.6 1554.5 1554.5 1554.4 1554.4 1554.3 1554.3 1554.2 1554.2 1554.1 1554.1 1554.0 1554.0 1553.9 1553.9 -200 -100 0 100 200 DESPLAZAMIENTO (µm) Figura 3.14. Comportamiento de la longitud de onda central del sensor o-land conforme la flexión. Los resultados anteriores muestran cómo el sensor o-eland sí puede ser utilizado como sensor para detectar vibraciones solo en un cierto rango dinámico dado que cuando este se flexiona hacia fuera tiende a presentar un comportamiento anómalo, esto es, el corrimiento en longitud de onda primero tiende a crecer y después disminuye siendo esta última zona la que queda descartada para la aplicación que desea dado que se quiere que en ambas zonas el sensor presente un mismo comportamiento. 3.2.2 Experimento dinámico de curvatura. Al hacer la referencia como experimento dinámico de curvatura se pretende dar a entender que la rejilla será sometida a cambios de curvatura periódicos mediante una vibración a una frecuencia en particular. 49 LONGITUD DE ONDA CENTRAL (nm) 1554.8 Dado que la mayoría de los fenómenos naturales como terremotos y temblores son eventos oscilatorios a frecuencias bajas cercanas a los 25 Hz las pruebas a esfuerzos dinámicos a las que se verá sometida la rejilla tendrán una frecuencia de oscilación similar a este valor. Para lo anterior fue necesario contar con un mecanismo que proporcionará una vibración constante dentro de ese rango de frecuencia y para este fin se decidió armar un electroimán cuyo arreglo se presenta en la figura 3.15. Figura 3.15. Arreglo mecánico y electrónico para generar una vibración del orden de 25 Hz en la lámina que contiene el sensor de fibra óptica basado en rejilla de Bragg. Una bobina robusta genera un campo magnético lo suficientemente intenso para hacer oscilar la lámina que sostiene a la rejilla de Bragg. La amplitud y la 50 frecuencia de la señal periódica que alimenta al solenoide son controladas vía un generador de funciones y un amplificador de corriente. Para que el solenoide pudiese generar el campo magnético lo suficientemente intenso como para transmitir una perturbación periódica en la lámina en la cual va montada la rejilla de Bragg, se tuvo que diseñar un amplificador de corriente a base de transistores de alta potencia, alimentado con una fuente de alimentación de corriente continua de alto amperaje. El diseño del arreglo electrónico descrito, se muestra en la figura 3.16 . Figura 3.16. Amplificador de corriente basado en transistores de alta potencia. El circuito amplificador push-pull que se muestra en la figura 3.15 emplea dos transistores complementarios, esto es, se utilizan transistores npn y pnp. La señal de entrada se aplica a ambas entradas de la base y durante un ciclo completo de la misma se desarrolla un ciclo completo de la señal de salida a través de la bobina. 51 El arreglo óptico para probar el sensor en este experimento se muestra en la figura 3.17 y es similar al utilizado en el experimento dinámico. Figura 3.17. Esquema del arreglo utilizado para el experimento dinámico de curvatura. Los registros de los espectros ópticos en el analizador espectral se hicieron en el rango de 0 Vpp a 10Vpp en intervalos de .5Vpp cada uno. La frecuencia en el generador de funciones se fijo en 22.5 Hz dado que a esta frecuencia se tenía la oscilación de mayor amplitud. La figura 3.18 muestra los resultados capturados en el analizador espectral para diferentes voltajes del generador de funciones. Lo interesante en ellos es que ahora la respuesta del sensor a la frecuencia es un promedio de los corrimientos de los espectros ópticos en el rango de amplitud correspondiente, lo cual se traduce en un ensanchamiento del espectro óptico de reflexión. 52 ESCALA DE POTENCIA NORMALIZADA 1.0 0 Vpp 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 1557.0 1557.5 1558.0 1558.5 1559.0 1559.5 1560.0 1560.5 1561.0 λ (nm) Figura 3.18. Espectros ópticos de reflexión para diferentes amplitudes de oscilación. Para justificar los resultados obtenidos en este experimento se procedió a modelar matemáticamente el comportamiento de la rejilla de Bragg en mathcad en condiciones dinámicas (apéndice A). Cabe mencionar que éste análisis se hizo utilizando las ecuación de reflectividad que resulta de aplicar la teoría de acoplamiento de modos para una rejilla uniforme. Los parámetros utilizados para el modelaje son neff = 1.47 índice de refracción efectivo λB =1560 nm longitud de onda central de la rejilla de Bragg ∆λ = 1 nm modulación de la longitud de onda L = 1x107 nm longitud de la rejilla de Bragg R = 50% reflectividad de la rejilla de Bragg 53 Con los valores anteriores se procede a encontrar como primer paso la modulación del índice de refracción en el núcleo de la fibra óptica utilizando para ello la ecuación de la máxima reflectividad de una rejilla de Bragg dada por la ecuación 1.9. Despejando n1 de esta última ecuación se obtiene un valor aproximado de 4.377x10-5. Introduciendo estos valores en la ecuación de reflectividad y graficándolos se consiguen los espectros de la figura 3.19 que son los se desean alcanzar en el experimento. Figura 3.19. Corrimiento de los espectros de reflexión en una rejilla de Bragg de 1560nm conforme al modelado matemático. En la figura 3.20 por su parte, se puede apreciar la gráfica del promedio de los espectros de reflexión obtenidos en la simulación de la rejilla de Bragg.. 54 Figura 3.20. Promedio de los espectros de reflexión de la rejilla de Bragg tal y como se vería en el analizador espectral 3.2.3 Modulación de la longitud de onda de reflexión de la rejilla de Bragg en amplitud. Hasta ahora las mediciones realizadas han sido mediciones de longitud de onda en las que se ha requerido de un analizador de espectros ópticos, si se desea hacer un sensor lo más económicamente posible es necesario utilizar un sistema en el cual las mediciones se hagan en potencia a través de un detector sencillo y barato. Para lograr lo anterior se propone un esquema en el cual se utiliza una rejilla de periodo largo con una longitud de onda central de 1541.08nm, con un ancho espectral de 31.79nm y con un espectro de transmisión como el de la figura 3.21. 55 Amplitud (dBm) Longitud de onda de la rejilla de Bragg Rango de modulación λ (nm) Figura 3.21. Espectro de transmisión de la rejilla de periodo largo utilizada El arreglo óptico propuesto para el experimento, es el que se muestra en la figura 3.22, e incluye un foto detector (New Focus Company, modelo 2034), del tipo InGaAs (Arseniuro de Galio- Indio) que opera en el rango de 800-2200nm, que es el encargado de proporcionar la lectura de las variaciones en amplitud del espectro óptico de transmisión de la rejilla de periodo largo. 56 Figura 3.22 . Arreglo óptico, mecánico y electrónico para sensar vibraciones haciendo uso de una rejilla de periodo largo (LPG) En el osciloscopio se puede ver la respuesta del sistema, debido a que las variaciones de amplitud en las oscilaciones de la lámina que soporta la rejilla de Bragg se traduce en oscilaciones periódicas senoidales, de ésta forma las vibraciones pueden ser detectadas estableciendo una correlación amplitud de vibración amplitud de voltaje pico a pico en el osciloscopio. Lo importante de este experimento es que a través de la rejilla de periodo largo las variaciones en longitud de onda se modulan en amplitud y de esta forma pueden ser fácilmente detectadas por el fotodetector, tal y como se puede ver en la figura 3.23. Figura 3.23. Proceso de modulación de longitud de onda en modulación de amplitud haciendo uso de una rejilla de periodo largo Las señales capturadas en el osciloscopio como consecuencia de la respuesta del la rejilla de Bragg a las variaciones dinámicas de curvatura para voltajes pico de 57 2, 3, 5, 7 y 9 volts se muestran en las gráficas de las figuras 3.24, 3.25, 3.26, 3.27 y 3.28 respectivamente. Cabe mencionar que se trabajó con valores de voltaje del generador de funciones en el rango de 1.5-10 Vpp con variaciones en intervalos de .5 Vpp. Solamente se presentan estas 4 gráficas para ilustrar el comportamiento parcial del sistema.. 10 1.15 Señal del generador de funciones 1.10 Señal del fotodetector 8 6 1.05 Voltaje (V) 2 1.00 0 Voltaje (mV) 4 0.95 -2 -4 0.90 -6 0.85 -8 -10 0 100000 200000 300000 0.80 400000 Tiempo (µs) Figura 3.24. Respuesta del foto detector a un voltaje del generador de 2 Volts pico. 58 10 1.15 8 Señal del generador de funciones 1.10 Señal del fotodetector 6 1.05 2 1.00 0 0.95 -2 0.90 Voltaje (mV) Voltaje (V) 4 -4 0.85 -6 0.80 -8 -10 0 100000 200000 300000 400000 Tiempo (µs) Figura 3.25. . Respuesta del foto detector a un voltaje del generador de 3 Volts pico. 10 Señal del generador de funciones 1.10 8 Señal del fotodetector 6 1.05 Voltaje (V) 1.00 2 0.95 0 -2 Voltaje (mV) 4 0.90 -4 0.85 -6 0.80 -8 -10 0 100000 200000 Tiempo (µs) 300000 0.75 400000 Figura 3.26. Respuesta del foto detector a un voltaje del generador de 5 Volts pico. 59 10 8 1.06 Señal del generador 1.04 de funciones Señal del fotodetector 1.02 1.00 4 0.98 2 0.96 0.94 0 0.92 -2 0.90 -4 0.88 Voltaje (mV) Voltaje (V) 6 0.86 -6 0.84 -8 0.82 -10 0 100000 200000 Tiempo (µs) 300000 0.80 400000 Figura 3.27. Respuesta del foto detector a un voltaje del generador de 7 Volts pico. 10 1.05 Señal del generador de funciones 8 Señal del fotodetector 1.00 6 4 Voltaje (V) 0 0.90 Voltaje (mV) 0.95 2 -2 -4 0.85 -6 0.80 -8 -10 0 100000 200000 Tiempo (µs) 300000 400000 Figura 3.28. . Respuesta del foto detector a un voltaje del generador de 9 Volts pico Las gráficas anteriores muestran el comportamiento de la señal generada por el foto detector conforme el voltaje en el generador de funciones se incrementa. 60 En la figura 3.29 se presenta una gráfica de la respuesta del sensor a los cambios de amplitud de las vibraciones, donde se puede apreciar que exhibe un comportamiento lineal. La sensibilidad del sensor en el rango dinámico de operación es de 17.27 µV/mm ± .03219. 200 180 VPP (µV) 160 140 120 Datos experimentales 100 Aproximación lineal 80 60 40 20 0 0 2 4 6 8 10 AMPLITUD DE VIBRACION (mm) Figura 3.29. Relación lineal de la señal del foto detector con respecto a la amplitud de vibración. Las amplitudes de vibración se midieron haciendo uso de una regla milimétrica fijada en la superficie de la mesa de trabajo, así para diferentes voltajes del generador se obtuvieron las correspondientes amplitudes de vibración de la lámina a la que se adhirió la rejilla de Bragg. 61 Capítulo 4 Aplicación de los láseres de fibra óptica a sensores de vibración. 4.1 Introducción. Los avances en el área de materiales han hecho posible el dopaje del núcleo de las fibras ópticas con iones de tierras raras, las cuales poseen muy bajas pérdidas de propagación e interesantes propiedades láser. Dichas propiedades en general, hacen posible la oscilación láser en niveles de umbral bajos y en particular, en aquellos materiales que presentan baja ganancia a longitudes de onda de laseo apropiadas para aplicación en el área de las telecomunicaciones. El desarrollo de las rejillas de Bragg ha incrementado aún más la funcionalidad de los láseres de fibra óptica. La posibilidad de incorporar rejillas en la fibra dopada, ha revolucionado la tecnología de los láseres de fibra óptica debido a su selectividad en longitud de onda e insensibilidad a perturbaciones externas. Las rejillas de Bragg pueden ser usadas como espejos para formar la cavidad de un láser de fibra óptica. Una configuración básica de un sensor láser basado en rejilla de Bragg emplea una rejilla y un espejo de ancho de banda amplio en 62 conjunto con una fibra dopada con erbio como medio de ganancia, tal y como se ilustra en la figura 4.1. Figura 4.1. Sensor láser de fibra óptica basado en rejilla de Bragg En un sensor láser de fibra óptica basado en rejilla de Bragg se observarán cambios en la longitud de onda de laseo en respuesta a perturbaciones externas que actúan sobre la rejilla. Las ventajas principales que ofrecen los sensores láser de fibra óptica con respecto a los sensores de fibra óptica convencionales son: • menor afectación de la relación señal al ruido. • señal reflejada de ancho de banda más corto. • mucho mayor resolución en las mediciones. 63 4.2 Implementación del sensor láser de fibra óptica basado en rejilla de Bragg sin rejilla de periodo largo. Con la idea de mejorar los resultados obtenidos en el capítulo anterior al utilizar una rejilla de Bragg como elemento sensor para monitorear vibraciones, se desarrolló un sensor láser que emite a la longitud de onda central de la rejilla. La rejilla de Bragg se utiliza con el objeto de reducir el ancho espectral de la señal reflejada por ésta, así como el de efectuar la sintonización del láser. La longitud de onda central de la rejilla se escoge de manera que esté dentro del rango del espectro de ganancia del amplificador de fibra óptica dopada con erbio. El esquema del sensor láser desarrollado se muestra en la figura 4.2 Figura 4.2. Sensor láser desarrollado para monitorear vibraciones En el esquema anterior se aprecia como la luz de bombeo proveniente de un diodo láser que emite en 980 nm es acoplada a la cavidad láser usando un WDM 980 64 nm / 1550 nm, y al pasar por la fibra dopada con erbio se incrementa la inversión de población y posteriormente se ve reflejada por un espejo de Faraday de alta reflectancia. La rejilla de Bragg de 1555 nm está inscrita en una longitud de fibra óptica aparte que se empalma en uno de los brazos del WDM definiendo la segunda cara reflectora de la cavidad. La salida del láser de fibra es acoplada a un analizador espectral el cual es usado para monitorear los cambios en el espectro de la rejilla conforme la amplitud de las vibraciones crece. Al incrementarse la potencia de bombeo, las pérdidas en la cavidad se superan y se provoca el laseo. A potencias de bombeo superiores al valor de umbral, la concavidad en el espectro de salida, la cual es debida a la rejilla de Bragg, comienza a crecer en la dirección positiva conforme la potencia de bombeo se incrementa. En la figura 4.3 se muestra el espectro de salida del sensor láser de fibra óptica para varias corrientes de bombeo, comenzando por debajo del umbral de laseo en el rango de 50 hasta 270 mA, y para valores superiores a 273 mA donde la línea láser a 1553 nm comienza a crecer. La gráfica de la figura 4.4 ilustra la relación entre la potencia de salida y la corriente de bombeo. Debido a que la ganancia de la fibra dopada con erbio exhibe un amplio ancho de banda cerca de la región de los 1550 nm tal y como se muestra en la figura 4.5 , se puede afirmar que el láser de fibra óptica desarrollado es una fuente de luz perfectamente sintonizable. 65 -20 50 mA 100 150 200 250 270 273 275 280 290 300 320 350 400 450 dBm -30 -40 -50 -60 -70 1552 1553 1554 λ (nm) Figura 4.3. Espectro de salida del sensor láser para diferentes corrientes de bombeo POTENCIA DE SALIDA (µW) 30 20 10 IU M B R A L 0 0 100 200 300 400 500 B O M B E O (m A ) Figura 4.4. Corriente de bombeo contra potencia de salida del sensor láser 66 Ganancia, cm -1 0 .0 2 0 .0 1 0 .0 0 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 λ (n m ) Figura 4.5. Espectro de ganancia de la fibra dopada con erbio usada como medio activo en la configuración del sensor láser. De la misma forma que en el capítulo anterior, en donde la rejilla de Bragg se sometió a cambios en la amplitud de las vibraciones, en este experimento la rejilla de Bragg que funge como cara reflectora de la cavidad láser y a la vez como sensor, se somete a las mismas condiciones, obteniéndose como respuesta de ello los espectros mostrados en la figura 4.6. .5 Vpp 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 ESCALA DE POTENCIA NORMALIZADA 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 1551.6 1551.8 1552.0 1552.2 1552.4 1552.6 1552.8 1553.0 1553.2 1553.4 1553.6 1553.8 1554.0 λ (nm) Figura 4.6. Espectros de salida del sensor láser cuando se somete a cambios de amplitud de vibración 67 4.3 Implementación del sensor láser de fibra óptica basado en rejilla de Bragg con rejilla de periodo largo. Puesto que se quiere comparar los resultados obtenidos en el capítulo anterior, cuando se hizo uso de un arreglo para sensar vibraciones basado en una rejilla de Bragg, con aquellos obtenidos en este para un sensor láser, se repiten los mismos experimentos en condiciones dinámicas con y sin rejilla de periodo largo. La implementación del arreglo experimental haciendo uso de la rejilla de periodo largo de 1554 nm así como la zona del espectro de la misma en la que ocurre la modulación de longitud de onda se muestran en la figura 4.7 y 4.8 respectivamente.. Figura 4.7. Arreglo experimental del sensor láser incorporando una rejilla de periodo largo. La frecuencia de vibración en el experimento se fijo en 22.5 Hz y se tomaron registros en el osciloscopio de la señal generada por el fotodetector para valores de voltaje del generador de funciones que oscilaban entre 1Vp y 5 Vp. 68 Amplitud (dBm) Longitud de onda de la rejilla de Bragg Rango de modulación λ (nm) Figura 4.8. Espectro de transmisión de la rejilla de periodo largo utilizada que muestra la zona en donde la rejilla de periodo largo fungr como detector de frecuencia óptica Las gráficas que muestran el comportamiento del sistema para voltajes de 1, 2, 3, 5, y 7 volts pico se presentan en las figuras 4.9, 4.10, 4.11, 4.12 y 4.13 respectivamente. 10 8 Señal del fotodetector 6 1.004 4 1.002 2 1.000 0 -2 Voltaje (V) Voltaje (V) Señal del generador de funciones 1.006 0.998 -4 0.996 -6 0.994 -8 -10 0 100000 200000 300000 0.992 400000 Tiempo (µs) Figura 4.9. Respuesta del foto detector para un voltaje del generador de 1 volts pico. 69 10 Señal del generador de funciones 1.006 8 Señal del fotodetector 6 1.004 1.002 2 1.000 0 Voltaje (V) Voltaje (V) 4 0.998 -2 -4 0.996 -6 0.994 -8 0.992 -10 0 100000 200000 300000 400000 Tiempo (µs) Figura 4.10. Respuesta del foto detector para un voltaje del generador de 2 volts pico. 10 1.004 Señal del generador de funciones Señal del fotodetector 8 6 1.002 1.000 2 0 -2 Voltaje (V) Voltaje (V) 4 0.998 -4 -6 0.996 -8 -10 0 100000 200000 Tiempo (µs) 300000 0.994 400000 Figura 4.11. Respuesta del foto detector para un voltaje del generador de 3 volts pico. 70 10 Señal del generador 1.002 8 6 de funciones Señal del fotodetector 1.001 4 0.999 0 -2 Voltaje (V) Voltaje (V) 1.000 2 0.998 -4 0.997 -6 0.996 -8 -10 0 100000 200000 300000 0.995 400000 Tiempo (µs) Figura 4.12. Respuesta del foto detector para un voltaje del generador de 5 volts pico 10 Señal del generador de funciones Señal del fotodetector 1.0010 8 1.0005 6 1.0000 0.9995 2 0.9990 0 0.9985 -2 Voltaje (V) Voltaje (V) 4 0.9980 -4 0.9975 -6 0.9970 -8 0.9965 -10 0 100000 200000 Tiempo (µs) 300000 0.9960 400000 Figura 4.13. Respuesta del foto detector para un voltaje del generador de 7 volts pico Las gráficas presentadas en las figuras 3.24, 3.25, 3.26, 3.27 y 3.28 comparadas con las de las figuras 4.9, 4.10, 4.11, 4.12 y 4.13 muestran una diferencia muy notable en la forma de onda de la señal generada por el fotodetector, 71 mientras que las primeras mantienen una forma perfectamente senoidal las otras tienden a modificarse. Este efecto no se debe a que la señal de entrada al foto detector sea muy alta de forma que el dispositivo llegue a saturarse, ni más aún debido a las frecuencias propias del láser de fibra óptica utilizado en el arreglo, dado que las frecuencias de relajación para los láseres de fibra óptica dopada con erbio están muy por encima del rango de frecuencias utilizado en nuestro experimento y no afectan a la modulación de la potencia de la señal de salida, estas frecuencias están en el rango de 20-100 kHz [37] tal y como se puede apreciar en la figura 4.14. Este efecto, se supone debido principalmente a la manufactura de la rejilla de Bragg al encapsularse en el empaque plástico. No se pudo corroborar esta hipótesis trabajando con otra rejilla debido a que hasta el momento es la única rejilla de Bragg con la que se cuenta. Los estudios posteriores en el doctorado permitirán revelar cual fue la causa exacta en el cambio de la forma de onda de la señal generado por el foto FRECUENCIA DE RELAJACION, kHz detector. PTH=12 mW 100 80 60 40 20 0 0 50 100 150 200 250 300 350 BOMBEO (mW) Figura 4.14. Frecuencias de relajación en un láser de fibra óptica dopada con erbio obtenidas en función del bombeo. 72 La sensibilidad del sensor láser cuando a su salida se le incorporada una rejilla de periodo largo dentro del rango dinámico de funcionamiento es de 44.42 µV/mm. La relación lineal entre el voltaje generado por el detector y la amplitud de vibración se ilustra en la figura 4.15. Como se puede observar en esta figura, el sensor responde de manera óptima para amplitudes de vibración pequeñas no siendo así para valores más grandes. 600 500 VPP (µV) 400 300 Datos experimentales Aproximación lineal 200 100 0 0 2 4 6 8 10 AMPLITUD DE VIBRACION (mm) Figura 4.15. Relación lineal de la señal del foto detector con respecto a la amplitud de vibración. El área dinámica de operación donde la señal del foto detector mantiene una forma perfectamente senoidal incluye amplitudes de vibración muy pequeñas que no fueron posible registrar por la resolución del osciloscopio y del mismo fotodetector. 73 Podemos decir que el arreglo del sensor láser de fibra óptica basado en rejilla de Bragg que se implementó, nos sirve para tener una mayor sensibilidad en la medición de la amplitud de las mediciones, para voltajes altos del generador se tienen amplitudes de vibración mayores que no mantienen una forma senoidal perfecta y tienden a modificar el comportamiento lineal del sistema. Esta situación se ilustra claramente en la figura 4.15. 74 Conclusiones Se logró caracterizar una rejilla de Bragg de 1559 nm ante cambios de temperatura y esfuerzo, obteniendo para cada uno de estos parámetros su correspondiente sensibilidad. Además, se generó un sistema capaz de sensar vibraciones a través de un esquema sencillo que hace uso de un sensor láser. Para el caso del experimento en el que la rejilla de Bragg se sometió a cambios de tensión manteniendo constante la temperatura en la fibra se observó un corrimiento del espectro óptico de reflexión desde 1560.12 nm a temperatura ambiente (24°C) hasta 1562.05 nm cuando alcanzó una temperatura de 187 °C, la razón de cambio estimada fue de 0.0118nm/°C. Para analizar la respuesta de la rejilla de Bragg cuando se sometió a cambios de tensión manteniendo constante la temperatura en la fibra, se dispuso de 6 pesos de 1, 2, 3, 5, 20 y 30 gramos respectivamente, las combinaciones entre estos nos permitieron tener hasta un máximo de 110 gramos. Se sujetaron cada una de estas combinaciones de pesos a uno de los extremos de la fibra donde se encontraba inscrita la rejilla y en el monitoreo de esta ante los cambios de esfuerzo se obtuvieron una serie de espectros desplazados desde la longitud de onda de 1560.12nm (esfuerzo = 0Nw) hasta 1561.52055nm (esfuerzo = 1.06639Nw), con una razón de cambio estimada en .7599Nw/nm 75 Para poder someter a la rejilla de Bragg de prueba a cambios en su curvatura fue necesario acondicionarla de manera que el empaque donde esta se encapsulara permitiera un doblez suave. El primero de los dos experimentos nos indicó que la rejilla podía ser utilizada en condiciones dinámicas, para esto se propusieron dos esquemas, uno de ellos permitió analizar el comportamiento del sensor haciendo uso de un analizador espectral, los resultados obtenidos aquí muestran una relación lineal del ensanchamiento del ancho espectral del pico de reflexión con respecto a la amplitud de vibración. El segundo experimento incorpora una rejilla de periodo largo para modular las variaciones en longitud de onda en amplitud y así poder hacer uso de un fotodetector. La sensibilidad del sensor en el rango dinámico de operación fue de 18µV/mm. Los resultados obtenidos hasta el momento nos hacen ir en busca de un arreglo que incremente la sensibilidad del sensor, ya que la señal generada por el fotodetector hasta el momento es una señal muy pequeña. Para lo anterior se propone un arreglo de un sensor laser de fibra óptica en donde la sensibilidad se incrementa notablemente de 18µV/mm a 44.42 µV/mm. En general se puede decir que este trabajo consistió en caracterizar la respuesta de una rejilla de Bragg ante cambios en la amplitud de vibración, obteniéndose muy buenos resultados en la sensibilidad del sistema. En este momento no se está en condiciones de implementar este sensor en algún tipo de estructura que permita un análisis detallado de su estado dinámico puesto que hay detalles que corregir en la respuesta del sistema. 76 Se planea en un futuro probar el sensor para monitorear las vibraciones y tensiones en un puente y comparar estos resultados con resultados obtenidos con equipo de monitoreo convencional. El problema a resolver hasta el momento es el diseño de rejillas de Bragg en fibra óptica con las propiedades adecuadas para desarrollar nuestro sensor. Las propiedades de la rejilla dependen principalmente de las condiciones de grabado, para esto es necesario desarrollar la técnica de inscripción adecuada para grabar la rejilla con las propiedades ideales, esto una vez se tenga la estación de grabado de rejillas en nuestro laboratorio. Finalmente se planea diseñar los prototipos de sensores que eventualmente pueden ser probados en algún puente o estructura civil. 77 APENDICE A Modelación matemática en MATHCAD del espectro de reflexión de una rejilla de Bragg. 7 L := 10 cm n := 1.47 R1 := 0.3 R2 := 0.5 R3 := 0.7 R4 := 0.9 R5 := 0.95 λB := 1560 nm ∆λ := 1 nm n1 := n2 := n3 := n4 := n5 := κ1 := κ2 := κ3 := λB π⋅ L λB π⋅ L λB π⋅ L λB π⋅ L λB π⋅ L ⋅ atanh ( R1) ⋅ atanh ( R2) ⋅ atanh ( R3) ⋅ atanh ( R4) ⋅ atanh ( R5) π⋅ n1 λB π⋅ n2 λB π⋅ n3 λB 78 κ4 := κ5 := π⋅ n4 λB π⋅ n5 λB j := 0 , 1 .. 2000 i := 0 , 1 .. 200 ⎛ i⋅ π ⎞ ⎝ 200 ⎠ λ0i := λB − ∆λ⋅ cos ⎜ λ j := λB + j − 1000 1000 ξi , j := 2⋅ π⋅ n ⋅ ⎛⎜ 1 ⎝ λj − 1 ⎞ λ0i ⎠ 2 ( )2 2 ( )2 2 ( )2 2 ( )2 2 ( )2 δ1i , j := κ1 − ξi , j δ2i , j := κ2 − ξi , j δ3i , j := κ3 − ξi , j δ4i , j := κ4 − ξi , j δ5i , j := κ5 − ξi , j 79 ρ1i , j := ρ2i , j := ρ3i , j := ρ4i , j := ρ5i , j := ( ( ( ( ( ) κ2⋅ sinh δ2i , j⋅ L ) ( ) ( ) κ3⋅ sinh δ3i , j⋅ L ) ( ) ( ) κ4⋅ sinh δ4i , j⋅ L ) ( ) ( ( ) κ5⋅ sinh δ5i , j⋅ L ) ( ) ξi , j⋅ sinh δ5i , j⋅ L + i⋅ δ5i , j⋅ cosh δ5i , j⋅ L ( )2 + Im(ρ1i , j)2 ( )2 + Im(ρ2i , j)2 ( )2 + Im(ρ3i , j)2 ( )2 + Im(ρ4i , j)2 ( )2 + Im(ρ5i , j)2 R3 := Re ρ3i , j R4 := Re ρ4i , j R5 := Re ρ5i , j i, j ) ξi , j⋅ sinh δ4i , j⋅ L + i⋅ δ4i , j⋅ cosh δ4i , j⋅ L := Re ρ2i , j i, j ( ξi , j⋅ sinh δ3i , j⋅ L + i⋅ δ3i , j⋅ cosh δ3i , j⋅ L R2 i, j ) ξi , j⋅ sinh δ2i , j⋅ L + i⋅ δ2i , j⋅ cosh δ2i , j⋅ L := Re ρ1i , j i, j ) ξi , j⋅ sinh δ1i , j⋅ L + i⋅ δ1i , j⋅ cosh δ1i , j⋅ L R1 i, j ( κ1⋅ sinh δ1i , j⋅ L 80 0.8 R1100 , j R2100 , j 0.6 R3100 , j R4100 , j 0.4 R5100 , j 0.2 0 1559.8 1559.85 1559.9 1559.95 1560 1560.05 1560.1 1560.15 λj 81 APENDICE B Modelación matemática en MATHCAD del comportamiento de la rejilla de Bragg cuando es sometida a variaciones en la amplitud de vibración n := 1.47 λB := 1560 nm ∆λ := 1 nm 7 L := 10 n1 := κ := λB π⋅ L R0 := 0.5 1cm ⋅ atanh ( R0) −5 n1 = 4.377 × 10 π⋅ n1 λB j := 0 , 1 .. 2000 i := 0 , 1 .. 200 ⎛ i⋅ π ⎞ ⎝ 200 ⎠ λ0i := λB − ∆λ⋅ cos ⎜ λ j := λB + j − 1000 500 ξi , j := 2⋅ π⋅ n ⋅ ⎛⎜ 1 ⎝ λj 2 − ⎞ λ0i ⎠ 1 ( )2 δi , j := κ − ξi , j ρ i , j := R i, j ( ) ) ( ) ξi , j⋅ sinh δi , j⋅ L + i⋅ δi , j⋅ cosh δi , j⋅ L ( )2 + Im(ρ i , j)2 := Re ρ i , j ⎛ 199 ⎜∑ Ref := ⎜ j ( κ ⋅ sinh δi , j⋅ L ⎝i = 1 ⎞ R i, j ⎠ ⋅ 0.005 + R ⋅ 0.0025 + R 0, j ⋅ 0.0025 200 , j 82 0.5 0.4 R0 , j R50 , j 0.3 R100 , j R150 , j 0.2 R200 , j 0.1 0 1558 1558.5 1559 1559.5 1560 1560.5 1561 1561.5 1562 λj 0.06 0.04 Ref j 0.02 0 1558 1559 1560 1561 1562 λj 83 APENDICE A Modelación matemática en MATHCAD del espectro de reflexión de una rejilla de Bragg. 7 L := 10 cm n := 1.47 R1 := 0.3 R2 := 0.5 R3 := 0.7 R4 := 0.9 R5 := 0.95 λB := 1560 nm ∆λ := 1 nm n1 := n2 := n3 := n4 := n5 := κ1 := κ2 := κ3 := λB π⋅ L λB π⋅ L λB π⋅ L λB π⋅ L λB π⋅ L ⋅ atanh ( R1) ⋅ atanh ( R2) ⋅ atanh ( R3) ⋅ atanh ( R4) ⋅ atanh ( R5) π⋅ n1 λB π⋅ n2 λB π⋅ n3 λB 78 κ4 := κ5 := π⋅ n4 λB π⋅ n5 λB j := 0 , 1 .. 2000 i := 0 , 1 .. 200 ⎛ i⋅ π ⎞ ⎝ 200 ⎠ λ0i := λB − ∆λ⋅ cos ⎜ λ j := λB + j − 1000 1000 ξi , j := 2⋅ π⋅ n ⋅ ⎛⎜ 1 ⎝ λj − 1 ⎞ λ0i ⎠ 2 ( )2 2 ( )2 2 ( )2 2 ( )2 2 ( )2 δ1i , j := κ1 − ξi , j δ2i , j := κ2 − ξi , j δ3i , j := κ3 − ξi , j δ4i , j := κ4 − ξi , j δ5i , j := κ5 − ξi , j 79 ρ1i , j := ρ2i , j := ρ3i , j := ρ4i , j := ρ5i , j := ( ( ( ( ( ) κ2⋅ sinh δ2i , j⋅ L ) ( ) ( ) κ3⋅ sinh δ3i , j⋅ L ) ( ) ( ) κ4⋅ sinh δ4i , j⋅ L ) ( ) ( ( ) κ5⋅ sinh δ5i , j⋅ L ) ( ) ξi , j⋅ sinh δ5i , j⋅ L + i⋅ δ5i , j⋅ cosh δ5i , j⋅ L ( )2 + Im(ρ1i , j)2 ( )2 + Im(ρ2i , j)2 ( )2 + Im(ρ3i , j)2 ( )2 + Im(ρ4i , j)2 ( )2 + Im(ρ5i , j)2 R3 := Re ρ3i , j R4 := Re ρ4i , j R5 := Re ρ5i , j i, j ) ξi , j⋅ sinh δ4i , j⋅ L + i⋅ δ4i , j⋅ cosh δ4i , j⋅ L := Re ρ2i , j i, j ( ξi , j⋅ sinh δ3i , j⋅ L + i⋅ δ3i , j⋅ cosh δ3i , j⋅ L R2 i, j ) ξi , j⋅ sinh δ2i , j⋅ L + i⋅ δ2i , j⋅ cosh δ2i , j⋅ L := Re ρ1i , j i, j ) ξi , j⋅ sinh δ1i , j⋅ L + i⋅ δ1i , j⋅ cosh δ1i , j⋅ L R1 i, j ( κ1⋅ sinh δ1i , j⋅ L 80 0.8 R1100 , j R2100 , j 0.6 R3100 , j R4100 , j 0.4 R5100 , j 0.2 0 1559.8 1559.85 1559.9 1559.95 1560 1560.05 1560.1 1560.15 λj 81 APENDICE B Modelación matemática en MATHCAD del comportamiento de la rejilla de Bragg cuando es sometida a variaciones en la amplitud de vibración n := 1.47 λB := 1560 nm ∆λ := 1 nm 7 L := 10 n1 := κ := λB π⋅ L R0 := 0.5 1cm ⋅ atanh ( R0) −5 n1 = 4.377 × 10 π⋅ n1 λB j := 0 , 1 .. 2000 i := 0 , 1 .. 200 ⎛ i⋅ π ⎞ ⎝ 200 ⎠ λ0i := λB − ∆λ⋅ cos ⎜ λ j := λB + j − 1000 500 ξi , j := 2⋅ π⋅ n ⋅ ⎛⎜ 1 ⎝ λj 2 − ⎞ λ0i ⎠ 1 ( )2 δi , j := κ − ξi , j ρ i , j := R i, j ( ) ) ( ) ξi , j⋅ sinh δi , j⋅ L + i⋅ δi , j⋅ cosh δi , j⋅ L ( )2 + Im(ρ i , j)2 := Re ρ i , j ⎛ 199 ⎜∑ Ref := ⎜ j ( κ ⋅ sinh δi , j⋅ L ⎝i = 1 ⎞ R i, j ⎠ ⋅ 0.005 + R ⋅ 0.0025 + R 0, j ⋅ 0.0025 200 , j 82 0.5 0.4 R0 , j R50 , j 0.3 R100 , j R150 , j 0.2 R200 , j 0.1 0 1558 1558.5 1559 1559.5 1560 1560.5 1561 1561.5 1562 λj 0.06 0.04 Ref j 0.02 0 1558 1559 1560 1561 1562 λj 83 Bibliografía [1] Raman Kashyap, Optical Fiber Technology 1: 17 (1994). 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