Polymer optical fibre Bragg gratings

This paper provides a review of the current state of research and development into polymer fibre Bragg gratings, along with a description of some current challenges. © 2012 OSA.

Evaluation of impact of beam size on fibre Bragg grating fabrication

Fabrication of gratings has gone a long way since the onset by Kenneth Hill in 1976. Basic fabrication techniques such as holographic and phase-mask which have distinguishing advantages (variable wavelength, and high repeatability consecutively) have since been modified in an effort to combine the advantages of both methods. These basic methods are inherently simple and have few controls, they have been combined and modified over time to enable the possibility of fabricating gratings with complex modulation index and phase profiles.

Quadratic behaviour of fibre Bragg grating temperature coefficients

We describe the characterization of the temperature and strain responses of fiber Bragg grating sensors by use of an interferometric interrogation technique to provide an absolute measurement of the grating wavelength. The fiber Bragg grating temperature response was found to be nonlinear over the temperature range -70 °C to 80 °C. The nonlinearity was observed to be a quadratic function of temperature, arising from the linear dependence on temperature of the thermo-optic coefficient of silica glass over this range, and is in good agreement with a theoretical model.

Monitoring of deployment process of shape memory polymers for morphing structures with embedded fibre Bragg grating sensors

This article demonstrates the use of embedded fibre Bragg gratings as vector bending sensor to monitor two-dimensional shape deformation of a shape memory polymer plate. The shape memory polymer plate was made by using thermal-responsive epoxy-based shape memory polymer materials, and the two fibre Bragg grating sensors were orthogonally embedded, one on the top and the other on the bottom layer of the plate, in order to measure the strain distribution in both longitudinal and transverse directions separately and also with temperature reference. When the shape memory polymer plate was bent at different angles, the Bragg wavelengths of the embedded fibre Bragg gratings showed a red-shift of 50 pm/°caused by the bent-induced tensile strain on the plate surface. The finite element method was used to analyse the stress distribution for the whole shape recovery process. The strain transfer rate between the shape memory polymer and optical fibre was also calculated from the finite element method and determined by experimental results, which was around 0.25. During the experiment, the embedded fibre Bragg gratings showed very high temperature sensitivity due to the high thermal expansion coefficient of the shape memory polymer, which was around 108.24 pm/°C below the glass transition temperature (Tg) and 47.29 pm/°C above Tg. Therefore, the orthogonal arrangement of the two fibre Bragg grating sensors could provide a temperature compensation function, as one of the fibre Bragg gratings only measures the temperature while the other is subjected to the directional deformation. © The Author(s) 2013.

Long-period fibre grating based biosensor for detection of DNA hybridisation

We implement an optical biosensor using long-period fibre grating immobilised with probe DNA. It has been used to detect hybridisation of target DNA, showing a high sensitivity and reusability function.

Realisation of single polarisation state of fibre ring laser by utilising intracavity 45° tilted fibre Bragg grating

Single polarisation operation of fibre ring laser has been realised by employing an intracavity 45°tilted fibre Bragg gratings (45° TFBGs). The degree of polarisation of 99.94% of the laser was demonstrated with good stability.

Sensing properties of germanate and tellurite glass optical fibres

Strain and thermal sensitivities of germanate and tellurite glass fibres were measured using a fibre Fabry-Perot (FFP) interferometer and fibre Bragg gratings (FBG). The strain phase sensitivity for germanate and tellurite fibre were 5900×103 rad/m and 5600×103 rad/m respectively at a central wavelength of 1540nm using FFP interferometer, which is consistent with the value of 1.22pm/µepsilon obtained for a germanate fibre FBG. The Young's modulus for germanate and tellurite fibre were also measured to be 58GPa and 37GPa. The thermal responses of germanate fibre were examined as 24.71 and 16.80 pm/°C at 1540nm and 1033nm wavelength using the FBG.

Inversed-modified soliton generation in mode-locked fibre laser at normal dispersion

We demonstrate erbium- and thulium-doped fibre ring lasers mode-locked with a single-walled carbon nanotubes (SWCNT) operating at normal intracavity dispersion and high nonlinearity. The lasers generate transform-limited picosecond inversed-modified soliton pulses. © 2014 OSA.

All-fibre Lyot filters based on 45° tilted gratings UV-inscribed in PM fibre

We report all-fibre Lyot filters formed by concatenating fibre gratings with structure tilted at 45° UV-inscribed in PM fibre. Such polarisation filters exhibit distinct transmission property for potential application in fibre lasers and sensors. © 2012 OSA.

Perspective work on optical fibre sensors

Optical fibre based sensors are transforming industry by permitting monitoring in hitherto inaccessible environments or measurement approaches that cannot be reproduced using conventional electronic sensors. A multitude of techniques have been developed to render the fibres sensitive to a wide range of parameters including: temperature, strain, pressure (static and dynamic), acceleration, rotation, gas type, and specific biochemical species. Constructed entirely of glass or polymer material, optical fibre devices like fibre gratings offer the properties: low loss, dielectric construction, small size, multiplexing, and so on [1-3]. In this paper, the authors will show the latest developing industrial applications, using polymer optical fibre (POF) devices, and comparing their performance with silica optical fibre devices. The authors address two pressing commercial requirements. The first concerns the monitoring of fuel level in civil aircraft. There is a strong motivation in the aerospace industry to move away from electrical sensors, especially in the fuel system. This is driven by the need to eliminate potential ignition hazards, the desire to reduce cabling weight and the need to mitigate the effects of lightning strikes in aircraft where the conventional metallic skin is increasingly being replaced by composite materials. In this case, the authors have developed pressure sensors based on a diaphragm in which a polymer fibre Bragg grating (POFBG) has been embedded [3]. These devices provide high pressure sensitivity enabling level measurement in the mm range. Also, it has developed an approach incorporating several such sensors which can compensate for temperature drifts and is insensitive to fluid density. Compared with silica fibre-based sensors, their performance is highly enhanced. Initial results have attracted the interest of Airbus from UK, who is keen to explore the potential of optical technology in commercial aircraft. The second concerns the monitoring of acoustic signals and vibration in the subsea environment, for applications in geophysical surveying and security (detection of unwanted craft or personnel). There is strong motivation to move away from electrical sensors due to the bulk of the sensor and associated cabling and the impossibility of monitoring over large distances without electrical amplification. Optical approaches like optical hydrophones [5] offer a means of overcoming these difficulties. In collaboration with Kongsberg from Norway, the authors will exploit the sensitivity improvements possible by using POF instead of silica fibre. These improvements will arise as a result of the much more compliant nature of POF compared to silica fibre (3 GPa vs 72 GPa, respectively). Essentially, and despite the strain sensitivity of silica and POFBGs being very similar, this renders the POF much more sensitive to the applied stress resulting from acoustic signals or vibration. An alternative way of viewing this is that the POF is better impedance-matched to the surrounding environment (water for the intended applications), because although its impedance is higher than that of water, it is nearly an order of magnitude smaller than that of silica. Finally, other future industrial applications will be presented and discussed, showing the vast range of the optical fiber devices in sensing applications.

The Effect of Foam Core Density on the Flexural and Axial Behaviour of Sandwich Panels of Varying Slenderness with Natural Flax-FRP and Glass-FRP Composite Skins

This study investigates the effect of foam core density and skin type on the behaviour of sandwich panels as structural beams tested in four-point bending and axially compressed columns of varying slenderness and skin thickness. Bio-composite unidirectional flax fibre-reinforced polymer (FFRP) is compared to conventional glass-FRP (GFRP) as the skin material used in conjunction with three polyisocyanurate (PIR) foam cores with densities of 32, 64 and 96 kg/m3. Eighteen 1000 mm long flexural specimens were fabricated and tested to failure comparing the effects of foam core density between three-layer FFRP skinned and single-layer GFRP skinned panels. A total of 132 columns with slenderness ratios (kLe/r) ranging from 22 to 62 were fabricated with single-layer GFRP skins, and one-, three-, and five-layer FFRP skins for each of the three foam core densities. The columns were tested to failure in concentric axial compression using pinned-end conditions to compare the effects of each material type and panel height. All specimens had a foam core cross-section of 100x50 mm with 100 mm wide skins of equal thickness. In both flexural and axial loading, panels with skins comprised of three FFRP layers showed equivalent strength to those with a single GFRP layer for all slenderness ratios and core densities examined. Doubling the core density from 32 to 64 kg/m3 and tripling the density to 96 kg/m3 led to flexural strength increases of 82 and 213%, respectively. Both FFRP and GFRP columns showed a similar variety of failure modes related to slenderness. Low slenderness of 22-25 failed largely due to localized single skin buckling, while those with high slenderness of 51-61 failed primarily by global buckling followed by secondary skin buckling. Columns with intermediate slenderness experienced both localized and global failure modes. High density foam cores more commonly exhibited core shear failure. Doubling the core density of the columns resulted in peak axial load increases, across all slenderness ratios, of 73, 56, 72 and 71% for skins with one, three and five FFRP layers, and one GFRP layer, respectively. Tripling the core density resulted in respective peak load increases of 116, 130, 176 and 170%.

The role of glass modifiers in the solubility of Tm3+ ions in As2S3 glasses

Au cours des années une variété des compositions de verre chalcogénure a été étudiée en tant qu’une matrice hôte pour les ions Terres Rares (TR). Pourtant, l’obtention d’une matrice de verre avec une haute solubilité des ions TR et la fabrication d’une fibre chalcogénure dopée au TR avec une bonne qualité optique reste toujours un grand défi. La présente thèse de doctorat se concentre sur l’étude de nouveaux systèmes vitreux comme des matrices hôtes pour le dopage des ions TR, ce qui a permis d’obtenir des fibres optiques dopées au TR qui sont transparents dans l’IR proche et moyenne. Les systèmes vitreux étudiés ont été basés sur le verre de sulfure d’arsenic (As2S3) co-dopé aux ions de Tm3+ et aux différents modificateurs du verre. Premièrement, l’addition de Gallium (Ga), comme un co-dopant, a été examinée et son influence sur les propriétés d’émission des ions de Tm a été explorée. Avec l’incorporation de Ga, la matrice d’As2S3 dopée au Tm a montré trois bandes d’émission à 1.2 μm (1H5→3H6), 1.4 μm (3H4→3F4) et 1.8 μm (3F4→3H6), sous l’excitation des longueurs d’onde de 698 nm et 800 nm. Les concentrations de Tm et de Ga ont été optimisées afin d’obtenir le meilleur rendement possible de photoluminescence. À partir de la composition optimale, la fibre Ga-As-S dopée au Tm3+ a été étirée et ses propriétés de luminescence ont été étudiées. Un mécanisme de formation structurale a été proposé pour ce système vitreux par la caractérisation structurale des verres Ga-As-S dopés au Tm3+, en utilisant la spectroscopie Raman et l’analyse de spectrométrie d’absorption des rayons X (EXAFS) à seuil K d’As, seuil K de Ga et seuil L3 de Tm et il a été corrélé avec les caractéristiques de luminescence de Tm. Dans la deuxième partie, la modification des verres As2S3 dopés au Tm3+, avec l’incorporation d’halogénures (Iode (I2)), a été étudiée en tant qu’une méthode pour l’adaptation des paramètres du procédé de purification afin d’obtenir une matrice de verre de haute pureté par distillation chimique. Les trois bandes d’émission susmentionnées ont été aussi bien observées pour ce système sous l’excitation à 800 nm. Les propriétés optiques, thermiques et structurelles de ces systèmes vitreux ont été caractérisées expérimentalement en fonction de la concentration d’I2 et de Tm dans le verre, où l’attention a été concentrée sur deux aspects principaux: l’influence de la concentration d’I2 sur l’intensité d’émission de Tm et les mécanismes responsables pour l’augmentation de la solubilité des ions de Tm dans la matrice d’As2S3 avec l’addition I2.

Development of ultra-high-performance concrete (UHPC) using waste glass materials ─ towards innovative eco-friendly concrete

Le béton conventionnel (BC) a de nombreux problèmes tels que la corrosion de l’acier d'armature et les faibles résistances des constructions en béton. Par conséquent, la plupart des structures fabriquées avec du BC exigent une maintenance fréquent. Le béton fibré à ultra-hautes performances (BFUP) peut être conçu pour éliminer certaines des faiblesses caractéristiques du BC. Le BFUP est défini à travers le monde comme un béton ayant des propriétés mécaniques, de ductilité et de durabilité supérieures. Le BFUP classique comprend entre 800 kg/m³ et 1000 kg/m³ de ciment, de 25 à 35% massique (%m) de fumée de silice (FS), de 0 à 40%m de poudre de quartz (PQ) et 110-140%m de sable de quartz (SQ) (les pourcentages massiques sont basés sur la masse totale en ciment des mélanges). Le BFUP contient des fibres d'acier pour améliorer sa ductilité et sa résistance aux efforts de traction. Les quantités importantes de ciment utilisées pour produire un BFUP affectent non seulement les coûts de production et la consommation de ressources naturelles comme le calcaire, l'argile, le charbon et l'énergie électrique, mais affectent également négativement les dommages sur l'environnement en raison de la production substantielle de gaz à effet de serre dont le gas carbonique (CO[indice inférieur 2]). Par ailleurs, la distribution granulométrique du ciment présente des vides microscopiques qui peuvent être remplis avec des matières plus fines telles que la FS. Par contre, une grande quantité de FS est nécessaire pour combler ces vides uniquement avec de la FS (25 à 30%m du ciment) ce qui engendre des coûts élevés puisqu’il s’agit d’une ressource limitée. Aussi, la FS diminue de manière significative l’ouvrabilité des BFUP en raison de sa surface spécifique Blaine élevée. L’utilisation du PQ et du SQ est également coûteuse et consomme des ressources naturelles importantes. D’ailleurs, les PQ et SQ sont considérés comme des obstacles pour l’utilisation des BFUP à grande échelle dans le marché du béton, car ils ne parviennent pas à satisfaire les exigences environnementales. D’ailleurs, un rapport d'Environnement Canada stipule que le quartz provoque des dommages environnementaux immédiats et à long terme en raison de son effet biologique. Le BFUP est généralement vendu sur le marché comme un produit préemballé, ce qui limite les modifications de conception par l'utilisateur. Il est normalement transporté sur de longues distances, contrairement aux composantes des BC. Ceci contribue également à la génération de gaz à effet de serre et conduit à un coût plus élevé du produit final. Par conséquent, il existe le besoin de développer d’autres matériaux disponibles localement ayant des fonctions similaires pour remplacer partiellement ou totalement la fumée de silice, le sable de quartz ou la poudre de quartz, et donc de réduire la teneur en ciment dans BFUP, tout en ayant des propriétés comparables ou meilleures. De grandes quantités de déchets verre ne peuvent pas être recyclées en raison de leur fragilité, de leur couleur, ou des coûts élevés de recyclage. La plupart des déchets de verre vont dans les sites d'enfouissement, ce qui est indésirable puisqu’il s’agit d’un matériau non biodégradable et donc moins respectueux de l'environnement. Au cours des dernières années, des études ont été réalisées afin d’utiliser des déchets de verre comme ajout cimentaire alternatif (ACA) ou comme granulats ultrafins dans le béton, en fonction de la distribution granulométrique et de la composition chimique de ceux-ci. Cette thèse présente un nouveau type de béton écologique à base de déchets de verre à ultra-hautes performances (BEVUP) développé à l'Université de Sherbrooke. Les bétons ont été conçus à l’aide de déchets verre de particules de tailles variées et de l’optimisation granulaire de la des matrices granulaires et cimentaires. Les BEVUP peuvent être conçus avec une quantité réduite de ciment (400 à 800 kg/m³), de FS (50 à 220 kg/m³), de PQ (0 à 400 kg/m³), et de SQ (0-1200 kg/m³), tout en intégrant divers produits de déchets de verre: du sable de verre (SV) (0-1200 kg/m³) ayant un diamètre moyen (d[indice inférieur 50]) de 275 µm, une grande quantité de poudre de verre (PV) (200-700 kg/m³) ayant un d50 de 11 µm, une teneur modérée de poudre de verre fine (PVF) (50-200 kg/m³) avec d[indice inférieur] 50 de 3,8 µm. Le BEVUP contient également des fibres d'acier (pour augmenter la résistance à la traction et améliorer la ductilité), du superplastifiants (10-60 kg/m³) ainsi qu’un rapport eau-liant (E/L) aussi bas que celui de BFUP. Le remplacement du ciment et des particules de FS avec des particules de verre non-absorbantes et lisse améliore la rhéologie des BEVUP. De plus, l’utilisation de la PVF en remplacement de la FS réduit la surface spécifique totale nette d’un mélange de FS et de PVF. Puisque la surface spécifique nette des particules diminue, la quantité d’eau nécessaire pour lubrifier les surfaces des particules est moindre, ce qui permet d’obtenir un affaissement supérieur pour un même E/L. Aussi, l'utilisation de déchets de verre dans le béton abaisse la chaleur cumulative d'hydratation, ce qui contribue à minimiser le retrait de fissuration potentiel. En fonction de la composition des BEVUP et de la température de cure, ce type de béton peut atteindre des résistances à la compression allant de 130 à 230 MPa, des résistances à la flexion supérieures à 20 MPa, des résistances à la traction supérieure à 10 MPa et un module d'élasticité supérieur à 40 GPa. Les performances mécaniques de BEVUP sont améliorées grâce à la réactivité du verre amorphe, à l'optimisation granulométrique et la densification des mélanges. Les produits de déchets de verre dans les BEVUP ont un comportement pouzzolanique et réagissent avec la portlandite générée par l'hydratation du ciment. Cependant, ceci n’est pas le cas avec le sable de quartz ni la poudre de quartz dans le BFUP classique, qui réagissent à la température élevée de 400 °C. L'addition des déchets de verre améliore la densification de l'interface entre les particules. Les particules de déchets de verre ont une grande rigidité, ce qui augmente le module d'élasticité du béton. Le BEVUP a également une très bonne durabilité. Sa porosité capillaire est très faible, et le matériau est extrêmement résistant à la pénétration d’ions chlorure (≈ 8 coulombs). Sa résistance à l'abrasion (indice de pertes volumiques) est inférieure à 1,3. Le BEVUP ne subit pratiquement aucune détérioration aux cycles de gel-dégel, même après 1000 cycles. Après une évaluation des BEVUP en laboratoire, une mise à l'échelle a été réalisée avec un malaxeur de béton industriel et une validation en chantier avec de la construction de deux passerelles. Les propriétés mécaniques supérieures des BEVUP a permis de concevoir les passerelles avec des sections réduites d’environ de 60% par rapport aux sections faites de BC. Le BEVUP offre plusieurs avantages économiques et environnementaux. Il réduit le coût de production et l’empreinte carbone des structures construites de béton fibré à ultra-hautes performances (BFUP) classique, en utilisant des matériaux disponibles localement. Il réduit les émissions de CO[indice inférieur 2] associées à la production de clinkers de ciment (50% de remplacement du ciment) et utilise efficacement les ressources naturelles. De plus, la production de BEVUP permet de réduire les quantités de déchets de verre stockés ou mis en décharge qui causent des problèmes environnementaux et pourrait permettre de sauver des millions de dollars qui pourraient être dépensés dans le traitement de ces déchets. Enfin, il offre une solution alternative aux entreprises de construction dans la production de BFUP à moindre coût.

Poéticas ficcionais e percursos imaginários em City of glass de Paul Auster

Nas três narrativas que constituem The New York Trilogy – City of Glass, Ghosts e The Locked Room – Paul Auster emprega e desconstrói os elementos convencionais do romance policial, elaborando uma investigação recorrente da natureza, função e significado da linguagem, mas também da solidão, do encerramento e da problemática da identidade. A produção narrativa de Auster evoca fantasmas logocêntricos tradicionais (como a presença, a realidade e a verdade), que fazem eco do princípio de indissolubilidade entre palavra e significado, apenas para lograr esta identidade através de uma orientação textual para a marcação da ficcionalidade e consequente reforço dos efeitos de significação ilusórios. Auster altera os mecanismos logrando as expectativas do leitor em relação ao epílogo e à transparência textual, que um pacto mimético faria pressupor. O espaço vazio resultante confere ao texto uma liberdade plurissignificativa que dispersa todas as certezas e veicula o poder da criação do caos. Sob a aparência de fluência narrativa, a escrita de Paul Auster esconde uma subversão das premissas básicas da literatura realista e dos signos referenciais, numa poética auto-reflexiva ficcionalizada sobre a estruturação de universos imaginários.

Experimental and numerical investigation on short and long term performance of macro-synthetic fibre reinforced concrete materials

Fibre Reinforced Concretes are innovative composite materials whose applications are growing considerably nowadays. Being composite materials, their performance depends on the mechanical properties of both components, fibre and matrix and, above all, on the interface. The variables to account for the mechanical characterization of the material, could be proper of the material itself, i.e. fibre and concrete type, or external factors, i.e. environmental conditions. The first part of the research presented is focused on the experimental and numerical characterization of the interface properties and short term response of fibre reinforced concretes with macro-synthetic fibers. The experimental database produced represents the starting point for numerical models calibration and validation with two principal purposes: the calibration of a local constitutive law and calibration and validation of a model predictive of the whole material response. In the perspective of the design of sustainable admixtures, the optimization of the matrix of cement-based fibre reinforced composites is realized with partial substitution of the cement amount. In the second part of the research, the effect of time dependent phenomena on MSFRCs response is studied. An extended experimental campaign of creep tests is performed analysing the effect of time and temperature variations in different loading conditions. On the results achieved, a numerical model able to account for the viscoelastic nature of both concrete and reinforcement, together with the environmental conditions, is calibrated with the LDPM theory. Different type of regression models are also elaborated correlating the mechanical properties investigated, bond strength and residual flexural behaviour, regarding the short term analysis and creep coefficient on time, for the time dependent behaviour, with the variable investigated. The experimental studies carried out emphasize the several aspects influencing the material mechanical performance allowing also the identification of those properties that the numerical approach should consider in order to be reliable.