Femtosecond laser processing of glassy and polymeric matrices containing metals and semiconductor nanostructures

Tailoring properties of materials by femtosecond laser processing has been proposed in the last decade as a powerful approach for technological applications, ranging from optics to biology. Although most of the research output in this field is related to femtosecond laser processing of single either organic or inorganic materials, more recently a similar approach has been proposed to develop advanced hybrid nanomaterials. Here, we report results on the use of femtosecond lasers to process hybrid nanomaterials, composed of polymeric and glassy matrices containing metal or semiconductor nanostructures. We present results on the use of femtosecond pulses to induce Cu and Ag nanoparticles in the bulk of borate and borosilicate glasses, which can be applied for a new generation of waveguides. We also report on 3D polymeric structures, fabricated by two-photon polymerization, containing Au and ZnO nanostructures, with intense two-photon fluorescent properties. The approach based on femtosecond laser processing to fabricate hybrid materials containing metal or semiconductor nanostructures is promising to be exploited for optical sensors and photonics devices.

Informationsgehalt von ERS-1/-2 SAR-Daten zur Erfassung der Arteninventare und des Zustandes landwirtschaftlich genutzter Böden und Vegetation

Auf einer drei Anbauperioden umfassenden Ground Truth Datenbasis wird der Informationsgehalt multitemporaler ERS-1/-2 Synthetic Aperture Radar (SAR) Daten zur Erfassung der Arteninventare und des Zustandes landwirtschaftlich genutzter Böden und Vegetation in Agrarregionen Bayerns evaluiert.Dazu wird ein für Radardaten angepaßtes, multitemporales, auf landwirtschaftlichen Schlägen beruhendes Klassifizierungsverfahren ausgearbeitet, das auf bildstatistischen Parametern der ERS-Zeitreihen beruht. Als überwachte Klassifizierungsverfahren wird vergleichend der Maximum-Likelihood-Klassifikator und ein Neuronales-Backpropagation-Netz eingesetzt. Die auf Radarbildkanälen beruhenden Gesamtgenauigkeiten variieren zwischen 75 und 85%. Darüber hinaus wird gezeigt, daß die interferometrische Kohärenz und die Kombination mit Bildkanälen optischer Sensoren (Landsat-TM, SPOT-PAN und IRS-1C-PAN) zur Verbesserung der Klassifizierung beitragen. Gleichermaßen können die Klassifizierungsergebnisse durch eine vorgeschaltete Grobsegmentierung des Untersuchungsgebietes in naturräumlich homogene Raumeinheiten verbessert werden. Über die Landnutzungsklassifizierung hinaus, werden weitere bio- und bodenphysikalische Parameter aus den SAR-Daten anhand von Regressionsmodellen abgeleitet. Im Mittelpunkt stehen die Paramter oberflächennahen Bodenfeuchte vegetationsfreier/-armer Flächen sowie die Biomasse landwirtschaftlicher Kulturen. Die Ergebnisse zeigen, daß mit ERS-1/-2 SAR-Daten eine Messung der Bodenfeuchte möglich ist, wenn Informationen zur Bodenrauhigkeit vorliegen. Hinsichtlich der biophysikalischen Parameter sind signifikante Zusammenhänge zwischen der Frisch- bzw. Trockenmasse des Vegetationsbestandes verschiedener Getreide und dem Radarsignal nachweisbar. Die Biomasse-Informationen können zur Korrektur von Wachstumsmodellen genutzt werden und dazu beitragen, die Genauigkeit von Ertragsschätzungen zu steigern.

Echtzeitsuche nach Neutrinoausbrüchen von Supernovae mit dem AMANDA-II-Detektor

Der AMANDA-II Detektor ist primär für den richtungsaufgelösten Nachweis hochenergetischer Neutrinos konzipiert. Trotzdem können auch niederenergetische Neutrinoausbrüche, wie sie von Supernovae erwartet werden, mit hoher Signifikanz nachgewiesen werden, sofern sie innerhalb der Milchstraße stattfinden. Die experimentelle Signatur im Detektor ist ein kollektiver Anstieg der Rauschraten aller optischen Module. Zur Abschätzung der Stärke des erwarteten Signals wurden theoretische Modelle und Simulationen zu Supernovae und experimentelle Daten der Supernova SN1987A studiert. Außerdem wurden die Sensitivitäten der optischen Module neu bestimmt. Dazu mussten für den Fall des südpolaren Eises die Energieverluste geladener Teilchen untersucht und eine Simulation der Propagation von Photonen entwickelt werden. Schließlich konnte das im Kamiokande-II Detektor gemessene Signal auf die Verhältnisse des AMANDA-II Detektors skaliert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Algorithmus zur Echtzeit-Suche nach Signalen von Supernovae als Teilmodul der Datennahme implementiert. Dieser beinhaltet diverse Verbesserungen gegenüber der zuvor von der AMANDA-Kollaboration verwendeten Version. Aufgrund einer Optimierung auf Rechengeschwindigkeit können nun mehrere Echtzeit-Suchen mit verschiedenen Analyse-Zeitbasen im Rahmen der Datennahme simultan laufen. Die Disqualifikation optischer Module mit ungeeignetem Verhalten geschieht in Echtzeit. Allerdings muss das Verhalten der Module zu diesem Zweck anhand von gepufferten Daten beurteilt werden. Dadurch kann die Analyse der Daten der qualifizierten Module nicht ohne eine Verzögerung von etwa 5 Minuten geschehen. Im Falle einer erkannten Supernova werden die Daten für die Zeitdauer mehrerer Minuten zur späteren Auswertung in 10 Millisekunden-Intervallen archiviert. Da die Daten des Rauschverhaltens der optischen Module ansonsten in Intervallen von 500 ms zur Verfgung stehen, ist die Zeitbasis der Analyse in Einheiten von 500 ms frei wählbar. Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei Analysen dieser Art am Südpol aktiviert: Eine mit der Zeitbasis der Datennahme von 500 ms, eine mit der Zeitbasis 4 s und eine mit der Zeitbasis 10 s. Dadurch wird die Sensitivität für Signale maximiert, die eine charakteristische exponentielle Zerfallszeit von 3 s aufweisen und gleichzeitig eine gute Sensitivität über einen weiten Bereich exponentieller Zerfallszeiten gewahrt. Anhand von Daten der Jahre 2000 bis 2003 wurden diese Analysen ausführlich untersucht. Während die Ergebnisse der Analyse mit t = 500 ms nicht vollständig nachvollziehbare Ergebnisse produzierte, konnten die Resultate der beiden Analysen mit den längeren Zeitbasen durch Simulationen reproduziert und entsprechend gut verstanden werden. Auf der Grundlage der gemessenen Daten wurden die erwarteten Signale von Supernovae simuliert. Aus einem Vergleich zwischen dieser Simulation den gemessenen Daten der Jahre 2000 bis 2003 und der Simulation des erwarteten statistischen Untergrunds kann mit einem Konfidenz-Niveau von mindestens 90 % gefolgert werden, dass in der Milchstraße nicht mehr als 3.2 Supernovae pro Jahr stattfinden. Zur Identifikation einer Supernova wird ein Ratenanstieg mit einer Signifikanz von mindestens 7.4 Standardabweichungen verlangt. Die Anzahl erwarteter Ereignisse aus dem statistischen Untergrund beträgt auf diesem Niveau weniger als ein Millionstel. Dennoch wurde ein solches Ereignis gemessen. Mit der gewählten Signifikanzschwelle werden 74 % aller möglichen Vorläufer-Sterne von Supernovae in der Galaxis überwacht. In Kombination mit dem letzten von der AMANDA-Kollaboration veröffentlicheten Ergebnis ergibt sich sogar eine obere Grenze von nur 2.6 Supernovae pro Jahr. Im Rahmen der Echtzeit-Analyse wird für die kollektive Ratenüberhöhung eine Signifikanz von mindestens 5.5 Standardabweichungen verlangt, bevor eine Meldung über die Detektion eines Supernova-Kandidaten verschickt wird. Damit liegt der überwachte Anteil Sterne der Galaxis bei 81 %, aber auch die Frequenz falscher Alarme steigt auf bei etwa 2 Ereignissen pro Woche. Die Alarm-Meldungen werden über ein Iridium-Modem in die nördliche Hemisphäre übertragen, und sollen schon bald zu SNEWS beitragen, dem weltweiten Netzwerk zur Früherkennung von Supernovae.

Plasmonenresonanzen von sichelförmigen metallischen Nanoobjekten

Metallische Objekte in der Größenordnung der optischen Wellenlänge zeigen Resonanzen im optischen Spektralbereich. Mit einer Kombination aus Kolloidlithographie, Metallfilmbedampfung und reaktivem Ionenstrahl¨atzen wurden Nanosicheln aus Gold bzw. Silber mit identischer Form und Orientierung in Sichelform mit einer Größe von 60nm bis 400nm hergestellt. Der Öffnungswinkel der Nanosicheln lässt sich kontinuierlich einstellen. Durch die einheitliche Orientierung lassen sich Messungen am Ensemble direkt auf das Verhalten des Einzelobjektes übertragen, wie ein Vergleich der Extinktionsspektren einer Ensemblemessung am UV/Vis/NIR-Spektrometer mit einer Einzelpartikelmessung in einem konfokalen Mikroskop zeigt. Die optische Antwort der Nanosicheln wurde als zwei-dimensionales Modell mit einer Finite Elemente Methode berechnet. Das Ergebnis sind mehrere polarisationsabhängige Resonanzen im optischen Spektrum. Diese lassen sich durch Variation des Öffnungswinkels und der Gr¨oße der Nanosichel verschieben. Durch Beleuchten lassen sich plasmonische Schwingungen anregen, die ein stark lokalisiertes Nahfeld an den Spitzen und in der Öffnung der Nanosicheln erzeugen. Das Nahfeld der Partikelresonanz wurde mit einer Fotolackmethode nachgewiesen. Die Untersuchungen am UV/Vis/NIR-Spektrometer zeigen mehrere polarisationsabhängige Resonanzen im Spektralbereich von 300 nm bis 3200 nm. Die Resonanzen der Nanosicheln lassen sich durch den Öffnungswinkel und den Durchmesser in der Größenordnung der Halbwertbreite im optischen Spektrum verschieben. In der Anwendung als Chemo- bzw. Biosensor zeigen Gold-Nanosicheln eine ähnliche Empfindlichkeit wie vergleichbare Sensoren auf der Basis von dünnen Metallstrukturen. Das Nahfeld zeichnet sich durch eine starke Lokalisierung aus und dringt, je nach Multipolordnung, zwischen 14 nm und 70 nm in die Umgebung ein. Quantenpunkte wurden an das Nahfeld der Nanosicheln gekoppelt. Die Emission der Quantenpunkte bei einer Wellenlänge von 860nm wird durch die Resonanz der Nanosicheln verstärkt. Die Nanosicheln wurden als optische Pinzette eingesetzt. Bei einer Anregung mit einem Laser bei einer Wellenlänge von 1064 nm wurden Polystyrolkolloide mit einem Durchmesser von 40 nm von den resonanten Nanosicheln eingefangen. Die Nanosicheln zeigen außergewöhnliche optische Eigenschaften, die mithilfe der Geometrieparameter über einen großen Bereich verändert werden können. Die ersten Anwendungen haben Anknüpfungspunkte zur Verwendung in der Sensorik, Fluoreszenzspektroskopie und als optische Pinzette aufgezeigt.

Detektion von Nickel- und Cobaltspezies in einzelnen lebenden Zellen mit hoher lateraler Auflösung

Übergangsmetallen wie Nickel und Cobalt kommt meist eine große Bedeutung als Cofaktor in Enzymen oder Metallkomplexen im Metabolismus von Lebewesen zu. Da eine sehr geringe Konzentration dieser Übergangsmetalle in einer Zelle für deren Funktionalität ausreicht, ist eine konstante Konzentration der Spurenelemente in einer Zelle angestrebt. Durch meist anthropogene Einflüsse sind Pflanzen und Menschen zunehmend hohen Konzentrationen von Übergangsmetallen ausgesetzt, die in Abhängigkeit von ihrer Spezies, der Konzentration und der Lokalisation unterschiedliche Toxizitäten aufweisen können. Die Speziation von Metallen wurde bisher mittels gängiger Analyseverfahren, wie der ICP-MS und ähnlicher Verfahren, anhand von bulk-Material durchgeführt. Durch die Entwicklung von optischen Sensoren für Metallionen war es möglich, diese Metalle auch in lebenden Zellen mittels Fluoreszenzmikroskopie zu lokalisieren. Ke und Kollegen (2006, 2007) nutzten einen solchen optischen Sensor - Newport Green DCF, um die Aufnahme von Nickel in humane A543 Lungenbronchialepithelzellen nach Inkubation mit dem wasserlöslichen NiCl2 (0,5 mM und 1 mM) sowie den wasserunlöslichen Verbindungen Ni3S2 (0,5 µg/cm2 und 1 µg/cm2) und NiS (2,5 µg/cm2) nachzuweisen und zu lokalisieren und konnten damit eine Akkumulation von Nickel im Zytoplasma und im Zellkern aufzeigen. Dabei war bei wasserlöslichen und wasserunlöslichen Nickelverbindungen Nickel nach 24 h im Zytoplasma und erst nach 48 h im Zellkern zu beobachten.rnrnDa Nickel und Cobalt keine detektierbare Eigenfluoreszenz unter den gegebenen Bedingungen zeigten, wurde für den optischen Nachweis von Nickel und Cobalt mit dem konfokalen Laser-Raster Mikroskop (CLSM) nach der Zugabe der verschiedenen wasserlöslichen und wasserunlöslichen Metallverbindungen NiCl2, NiSO4, Ni3S2 und CoCl2 in einzelnen lebenden humanen Gingiva-Fibroblasten, sowie in Pflanzenzellen in dieser Arbeit ebenfalls der optische Sensor Newport Green DCF genutzt. Korrespondierend zu den Ergebnissen früherer Arbeiten von Ke et al. (2006, 2007), in denen die Nickelaufnahme bei Konzentrationen von >0,5 mM NiCl2 bzw. >0,5 µg/cm2 Ni3S2 gezeigt wurde, wurde Nickel in Fibroblasten in Abhängigkeit von der Spezies mit steigender Metallkonzentration von 100 µM bis 500 µM nach 16 h im Zytoplasma und zunehmend nach 24 h bis 48 h im Zellkern detektiert. Bei der wasserunlöslichen Verbindung Ni3S2 war der Nachweis von Nickel im Zellkern bereits nach 16 h bis 24 h erfolgreich. Zusätzlich wurden weitere Strukturen wie das Endoplasmatische Retikulum, die Mitochondrien und die Nukleoli durch eine starke Fluoreszenz des optischen Sensors bei Colokalisationsexperimenten mit Organell-spezifischen Fluoreszenzfarbstoffen als target für die Nickelbindung vermutet. Die Lokalisation von Cobalt in den Fibroblasten entsprach weitgehend der Lokalisation von Nickel. Im Zellkern war die Cobaltlokalisation jedoch auf die Nukleoli beschränkt. Weiterführende Versuche an humanen Gingiva-Fibroblasten zeigten, dass die Aufnahme der Metalle in die Fibroblasten pH-Wert abhängig war. Niedrige pH-Werte im sauren pH-Bereich verringerten die Aufnahme der Metalle in die Zellen, wobei ein pH-Wert im basischen Bereich keinen bedeutenden Unterschied zum neutralen pH-Bereich aufwies. Im Vergleich zu den Fibroblasten war in Pflanzenzellen zu jedem Zeitpunkt, auch bei geringen Konzentrationen der Metallverbindungen sowie des optischen Sensors, Nickel und Cobalt in den Zellkernen detektierbar. Durch die Eigenschaft der Pflanzenzellen eine Vakuole zu besitzen, war Nickel und Cobalt hauptsächlich in den Vakuolen lokalisiert. Weitere Strukturen wie das Endoplasmatische Retikulum, die Mitochondrien oder auch die Zellwand kamen bei Pflanzenzellen als target in Frage.rnrnDie Fluoreszenz und Lokalisation der Metalle in den Fibroblasten waren unabhängig von der Spezies sehr ähnlich, sodass in den Zellen die Spezies anhand der fluoreszenzmikroskopischen Aufnahmen kaum unterschieden werden konnten. Lambda-Scans in verschiedenen regions of interest (ROI) wurden durchgeführt, um durch die Fluoreszenzspektren Hinweise auf eine charakteristische Beeinflussung der Bindungspartner von Nickel und Cobalt oder dieser Metalle selbst in den Zellen auf den optischen Sensor zu bekommen und diese dadurch identifizieren zu können. Das Ziel der parallelen Detektion bzw. Lokalisation und gleichzeitigen Speziation bestimmter Nickel- und Cobaltpezies in einzelnen lebenden Zellen konnte in dieser Arbeit durch den optischen Sensor Newport Green DCF nicht erreicht werden.

Radiance, irradiance, and remote sensing reflectance during the North Sea Coast Harmful Algal Bloom (NORCOHAB II) HEINCKE cruise HE302

In this study four data quality flags are presented for automated and unmanned above-water hyperspectral optical measurements collected underway in the North Sea, The Minch, Irish Sea and Celtic Sea in April/May 2009. Coincident to these optical measurements a DualDome D12 (Mobotix, Germany) camera system was used to capture sea surface and sky images. The first three flags are based on meteorological conditions, to select erroneous incoming solar irradiance (ES) taken during dusk, dawn, before significant incoming solar radiation could be detected or under rainfall. Furthermore, the relative azimuthal angle of the optical sensors to the sun is used to identify possible sunglint free sea surface zones. A total of 629 spectra remained after applying the meteorological masks (first three flags). Based on this dataset, a fourth flag for sunglint was generated by analysing and evaluating water leaving radiance (LW) and remote sensing reflectance (RRS) spectral behaviour in the presence and absence of sunglint salient in the simultaneously available sea surface images. Spectra conditions satisfying "mean LW (700-950 nm) < 2 mW/m**2/nm/Sr" or alternatively "minimum RRS (700-950 nm) < 0.010/Sr", mask the most measurements affected by sunglint, providing efficient flagging of sunglint in automated quality control. It is confirmed that valid optical measurements can be performed 0° <= theta <= 360° although 90° <= theta <= 135° is recommended.

Toward reduction of artifacts in fused images

Most fusion satellite image methodologies at pixel-level introduce false spatial details, i.e.artifacts, in the resulting fusedimages. In many cases, these artifacts appears because image fusion methods do not consider the differences in roughness or textural characteristics between different land covers. They only consider the digital values associated with single pixels. This effect increases as the spatial resolution image increases. To minimize this problem, we propose a new paradigm based on local measurements of the fractal dimension (FD). Fractal dimension maps (FDMs) are generated for each of the source images (panchromatic and each band of the multi-spectral images) with the box-counting algorithm and by applying a windowing process. The average of source image FDMs, previously indexed between 0 and 1, has been used for discrimination of different land covers present in satellite images. This paradigm has been applied through the fusion methodology based on the discrete wavelet transform (DWT), using the à trous algorithm (WAT). Two different scenes registered by optical sensors on board FORMOSAT-2 and IKONOS satellites were used to study the behaviour of the proposed methodology. The implementation of this approach, using the WAT method, allows adapting the fusion process to the roughness and shape of the regions present in the image to be fused. This improves the quality of the fusedimages and their classification results when compared with the original WAT method

Automatic segmentation of relevant textures in agricultural images

One important issue emerging strongly in agriculture is related with the automatization of tasks, where the optical sensors play an important role. They provide images that must be conveniently processed. The most relevantimage processing procedures require the identification of green plants, in our experiments they come from barley and corn crops including weeds, so that some types of action can be carried out, including site-specific treatments with chemical products or mechanical manipulations. Also the identification of textures belonging to the soil could be useful to know some variables, such as humidity, smoothness or any others. Finally, from the point of view of the autonomous robot navigation, where the robot is equipped with the imaging system, some times it is convenient to know not only the soil information and the plants growing in the soil but also additional information supplied by global references based on specific areas. This implies that the images to be processed contain textures of three main types to be identified: green plants, soil and sky if any. This paper proposes a new automatic approach for segmenting these main textures and also to refine the identification of sub-textures inside the main ones. Concerning the green identification, we propose a new approach that exploits the performance of existing strategies by combining them. The combination takes into account the relevance of the information provided by each strategy based on the intensity variability. This makes an important contribution. The combination of thresholding approaches, for segmenting the soil and the sky, makes the second contribution; finally the adjusting of the supervised fuzzy clustering approach for identifying sub-textures automatically, makes the third finding. The performance of the method allows to verify its viability for automatic tasks in agriculture based on image processing

Estudio y desarrollo de sensores de fibra óptica para detección de vibraciones en ductos ascendentes submarinos

En esta tesis doctoral se describe el trabajo de investigación enfocado al estudio y desarrollo de sensores de fibra óptica para la detección de presión, flujo y vibraciones en ductos ascendentes submarinos utilizados en la extracción y transporte de hidrocarburos, con el objetivo de aplicarlos en los campos de explotación de aguas profundas en el Golfo de México pertenecientes a la Industria Petrolera Mexicana. El trabajo se ha enfocado al estudio y desarrollo de sensores ópticos cuasi distribuidos y distribuidos. En especial se ha profundizado en el uso y aplicación de las redes de Bragg (FBG) y de reflectómetros ópticos en el dominio del tiempo sensible a la fase (φ-OTDR). Los sensores de fibra óptica son especialmente interesantes para estas aplicaciones por sus ventajosas características como su inmunidad a interferencias electromagnéticas, capacidad de multiplexado, fiabilidad para trabajar en ambientes hostiles, altas temperaturas, altas presiones, ambientes salino-corrosivos, etc. Además, la fibra óptica no solo es un medio sensor sino que puede usarse como medio de transmisión. Se ha realizado un estudio del estado del arte y las ventajas que presentan los sensores ópticos puntuales, cuasi-distribuidos y distribuidos con respecto a los sensores convencionales. Se han estudiado y descrito los interrogadores de redes de Bragg y se ha desarrollado un método de calibración útil para los interrogadores existentes en el mercado, consiguiendo incertidumbres en la medida de la longitud de onda menores de ± 88 nm e incertidumbres relativas (la mas interesante en el campo de los sensores) menores de ±3 pm. Centrándose en la aplicación de las redes de Bragg en la industria del petróleo, se ha realizado un estudio en detalle del comportamiento que presentan las FBGs en un amplio rango de temperaturas de -40 ºC a 500 oC. Como resultado de este estudio se han evaluado las diferencias en los coeficientes de temperatura en diversos tramos de mas mismas, así como para diferentes recubrimientos protectores. En especial se ha encontrado y evaluado las diferencias de los diferentes recubrimientos en el intervalo de temperaturas entre -40 ºC y 60 ºC. En el caso del intervalo de altas temperaturas, entre 100 ºC y 500 ºC, se ha medido y comprobado el cambio uniforme del coeficiente de temperatura en 1pm/ºC por cada 100 ºC de aumento de temperatura, en redes independientemente del fabricante de las mismas. Se ha aplicado las FBG a la medición de manera no intrusiva de la presión interna en una tubería y a la medición del caudal de un fluido en una tubería, por la medida de diferencia de presión entre dos puntos de la misma. Además se ha realizado un estudio de detección de vibraciones en tuberías con fluidos. Finalmente, se ha implementado un sistema de detección distribuida de vibraciones aplicable a la detección de intrusos en las proximidades de los ductos, mediante un φ-OTDR. En este sistema se ha estudiado el efecto negativo de la inestabilidad de modulación que limita la detección de vibraciones distribuidas, su sensibilidad y su alcance. ABSTRACT This thesis describes the research work focused for the study and development of on optical fiber sensors for detecting pressure, flow and vibration in subsea pipes used in the extraction and transportation of hydrocarbons, in order to apply them in deepwater fields in the Gulf of Mexico belonging to the Mexican oil industry. The work has focused on the study and development of optical sensors distributed and quasi distributed. Especially was done on the use and application of fiber Bragg grating (FBG) and optical reflectometers time domain phase sensitive (φ-OTDR). The optical fiber sensors especially are interesting for these applications for their advantageous characteristics such as immunity to electromagnetic interference, multiplexing capability, reliability to work in harsh environments, high temperatures, high pressures, corrosive saline environments, etc. Furthermore, the optical fiber is not only a sensor means it can be used as transmission medium. We have performed a study of the state of the art and the advantages offered by optical sensors point, quasi-distributed and distributed over conventional sensors. Have studied and described interrogators Bragg grating and has developed a calibration method for interrogators useful for the existing interrogators in the market, resulting uncertainty in the measurement of the wavelength of less than ± 0.17 nm and uncertainties (the more interesting in the field of sensors) less than ± 3 pm. Focusing on the application of the Bragg gratings in the oil industry, has been studied in detail the behavior of the FBGs in a wide range of temperatures from -40 °C to 500 oC. As a result of this study we have evaluated the difference in temperature coefficients over various sections of the same, as well as different protective coatings. In particular evaluated and found the differences coatings in the range of temperatures between -40 º C and 60 º C. For the high temperature range between 20 ° C and 500 ° C, has been measured and verified the uniform change of the temperature coefficient at 1pm / ° C for each 100 ° C increase in temperature, in networks regardless of manufacturer thereof. FBG is applied to the non-intrusive measurement of internal pressure in a pipeline and measuring flow of a fluid in a pipe, by measuring the pressure difference between two points thereof. Therefore, has also made a study of detecting vibrations in pipes with fluids. Finally, we have implemented a distributed sensing system vibration applied to intrusion detection in the vicinity of the pipelines, by φ-OTDR. In this system we have studied the negative effect of modulation instability limits the distributed vibration detection, sensitivity and scope.

Desenvolvimento de célula Pockels na topologia reflexiva aplicada a TP óptico de alta tensão.

O trabalho aborda o estudo e o desenvolvimento de um interferômetro sensor de alta tensão, baseado em célula Pockels (modulador eletro-óptico) na topologia reflexiva (\"double pass\") e que é parte integrante de um Transformador de Potencial Óptico (TPO), que utiliza sistema interferométrico de luz branca (WLI-White Light Interferometry), que está sendo desenvolvido pelo grupo do Laboratório de Sensores Ópticos (LSO) do PEA-EPUSP, e é capaz de medir diretamente tensões presentes em sistema elétrico de potência (SEP) classe 69kVRMS. Para desenvolver o tema proposto foi feita uma revisão da literatura baseada em livros, artigos e teses para identificar topologias em moduladores eletro-ópticos transmissiva (\"single pass\") e reflexiva (\"double pass\") para definir o tipo de modulador mais adequado para a aplicação em questão. A partir dos estudos e implementações realizadas, verificou-se um enorme potencial para o desenvolvimento e aplicação da topologia \"double pass\" no sensor interferométrico da célula de alta tensão do TPO. A topologia mostrou-se vantajosa em relação aos protótipos dos TPOs desenvolvidos anteriormente, a partir de características tais como: a facilidade de recurso de alinhamento do feixe de luz, construção e reprodução relacionados ao cristal eletro-óptico, diminuição do número de componentes ópticos volumétricos e aumento da rigidez dielétrica da célula sensora. Simulações computacionais foram realizadas mediante a aplicação do método dos elementos finitos (MEF) que contribuíram para o auxílio do projeto da célula sensora, particularmente, para estimativa do valor da voltagem de meia onda, V?, parâmetro importante para o projeto do TPO. Um protótipo do TPO com célula sensora de alta tensão reflexiva foi implementado e testado no laboratório de alta tensão do IEEUSP a partir de ensaios com tensões nominais de 69kVrms a 60Hz e máxima de 140kVrms a 60 Hz. Como resultado deste trabalho, amplia-se o conhecimento e domínio das técnicas de construção de interferômetros sensores de alta tensão na topologia reflexiva aplicadas a TPOs.

Resonant cavity Fibre Bragg grating sensor interrogation

This thesis presents a novel high-performance approach to time-division-multiplexing (TDM) fibre Bragg grating (FBG) optical sensors, known as the resonant cavity architecture. A background theory of FBG optical sensing includes several techniques for multiplexing sensors. The limitations of current wavelength-division-multiplexing (WDM) schemes are contrasted against the technological and commercial advantage of TDM. The author’s hypothesis that ‘it should be possible to achieve TDM FBG sensor interrogation using an electrically switched semiconductor optical amplifier (SOA)’ is then explained. Research and development of a commercially viable optical sensor interrogator based on the resonant cavity architecture forms the remainder of this thesis. A fully programmable SOA drive system allows interrogation of sensor arrays 10km long with a spatial resolution of 8cm and a variable gain system provides dynamic compensation for fluctuating system losses. Ratiometric filter- and diffractive-element spectrometer-based wavelength measurement systems are developed and analysed for different commercial applications. The ratiometric design provides a low-cost solution that has picometre resolution and low noise using 4% reflective sensors, but is less tolerant to variation in system loss. The spectrometer design is more expensive, but delivers exceptional performance with picometre resolution, low noise and tolerance to 13dB system loss variation. Finally, this thesis details the interrogator’s peripheral components, its compliance for operation in harsh industrial environments and several examples of commercial applications where it has been deployed. Applications include laboratory instruments, temperature monitoring systems for oil production, dynamic control for wind-energy and battery powered, self-contained sub-sea strain monitoring.

Microchanneled chirped fibre Bragg gratings for simultaneous refractive index and temperature measurements

We report here the fabrication, charaterisation and refractive index sensing of two microchanneled chirped fiber Bragg gratings (MCFBGs) with different channel sizes (~550µm and ~1000µm). The chirped grating structures were UV-inscribed in optical fibre and the microchannels were created in the middle of the CFBGs by femtosecond (fs) laser assisted chemical etching method. The creation of microchannels in the CFBG structures gives an access to the external index liquid, thus inducing refractive index (RI) sensitivity to the structure. In comparison with previously reported FBG based RI sensors, for which the cladding layers usually were removed, the MCFBGs represent a more ideal solution for robust devices as the microchannel will not degrade the structure strength. The two MCFBGs were spectrally charaterised for their RI and temperature responses and both gratings exhibited unique thermal and RI sensitivities, which may be utilised for implementation of bio-chemical sensors with capability to eliminate temperature crosssensitivity.

Low-cost fully integrated fiber Bragg grating interrogation system

Fiber Bragg gratings can be used for monitoring different parameters in a wide variety of materials and constructions. The interrogation of fiber Bragg gratings traditionally consists of an expensive and spacious peak tracking or spectrum analyzing unit which needs to be deployed outside the monitored structure. We present a dynamic low-cost interrogation system for fiber Bragg gratings which can be integrated with the fiber itself, limiting the fragile optical in- and outcoupling interfaces and providing a compact, unobtrusive driving and read-out unit. The reported system is based on an embedded Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) which is tuned dynamically at 1 kHz and an embedded photodiode. Fiber coupling is provided through a dedicated 45° micromirror yielding a 90° in-the-plane coupling and limiting the total thickness of the fiber coupled optoelectronic package to 550 µm. The red-shift of the VCSEL wavelength is providing a full reconstruction of the spectrum with a range of 2.5 nm. A few-mode fiber with fiber Bragg gratings at 850 nm is used to prove the feasibility of this low-cost and ultra-compact interrogation approach.

Microchanneled chirped fibre Bragg gratings for simultaneous refractive index and temperature measurements

We report here the fabrication, charaterisation and refractive index sensing of two microchanneled chirped fiber Bragg gratings (MCFBGs) with different channel sizes (~550µm and ~1000µm). The chirped grating structures were UV-inscribed in optical fibre and the microchannels were created in the middle of the CFBGs by femtosecond (fs) laser assisted chemical etching method. The creation of microchannels in the CFBG structures gives an access to the external index liquid, thus inducing refractive index (RI) sensitivity to the structure. In comparison with previously reported FBG based RI sensors, for which the cladding layers usually were removed, the MCFBGs represent a more ideal solution for robust devices as the microchannel will not degrade the structure strength. The two MCFBGs were spectrally charaterised for their RI and temperature responses and both gratings exhibited unique thermal and RI sensitivities, which may be utilised for implementation of bio-chemical sensors with capability to eliminate temperature crosssensitivity.

Multi-wavelength switchable fibre ring laser based on polarisation selective tilted fibre gratings capable of strain and temperature sensing

Using three fibre gratings with excessively tilted structures in the cavity, we have experimentally demonstrated a multiwavelength switchable erbium-doped fibre ring laser system. The three tilted gratings act as in-fibre polariser and polarisation dependent loss filters to induce the polarisation hole burning effect in the cavity for the operation of the laser at single, double, triple and quadruple wavelengths. The laser system has demonstrated good stability under room temperature conditions and also achieved a high degree of polarization (~30dB), high optical signal to noise ratio (up to 63dB) and high side mode suppression (~50dB). The system has also been investigated for temperature and strain sensing by subjecting the seeding fibre Bragg gratings (FBG) to temperature and strain variations. Since the loss band of the polarisation dependent loss filter is broader than the bandwidth of the seeding FBG, the laser output shifts in wavelength with the applied temperature and strain. The fibre ring laser has shown good responses to the temperature and strain, providing sensitivities of approximately 11.7 pm/°C and 0.85pm/µe respectively.