Study of reliability of fibre Bragg grating fibre optic strain sensors for field-test applications

In this paper, the reliability and thus the suitability of optical fibre strain sensors for surface strain measurement in concrete structures was investigated. Two different configurations of optical strain sensors were used each having different mountings making them suitable for different uses in various structures. Due to the very limited time available to install the sensors and take result, commercially packaged sensors were used. In the tests carried out each sensor was mounted onto a concrete beam which was then subjected to a range of known and calibrated loadings. The performance of the optical strain sensors thus evaluated was compared with the results of conventional techniques. This comparison allows for selecting the best performing combination of sensor/mounting, i.e. long-gauge sensor with mounts bolted to threaded rods glued into the concrete for use in future work in a field test where a limited time window was available for installation, testing and post-test demounting. © 2012 Elsevier B.V.

Aplicações das redes de Bragg na biomecânica

O presente trabalho tem como objectivo o estudo, desenvolvimento e aplicações na área da biomecânica de sensores intrínsecos baseados em redes de Bragg em fibras ópticas (FBG). As aplicações são feitas em modelos biomecânicos in vitro tais como: implantes de anca, prótese de joelho, placas de osteossíntese e implantes dentários. A optimização do desenvolvimento de próteses e respectivos elementos de fixação é actualmente dependente da geração e validação experimental de seus modelos computacionais. A validação destes modelos é normalmente feita utilizando-se dados de ensaios não invasivos e invasivos em modelos sintéticos. Em ensaios in vitro os sensores convencionais têm um princípio de funcionamento eléctrico e apresentam por vezes dimensões inadequadas. Existem situações exploradas no presente trabalho, tais como sensoriamento de superfícies irregulares e junções ou ainda análises de deformações internas, onde é recomendável a utilização de sensores FBG, pois apresentam dimensões reduzidas e flexibilidade o que permite efectuar medidas localizadas. O desenvolvimento de um protocolo de utilização de FBG e a sua aplicação no contexto apresentado demonstrou-se mais adequado, pela precisão e segurança futura oferecidas. Foi desenvolvida uma metodologia experimental para medidas de deformações utilizando FBG ao longo de uma placa de osteossíntese metálica aparafusada a um fémur sintético fracturado. Foi efectuada a monitorização da cura do cimento ósseo utilizado como fixador do prato tibial na artroplastia total do joelho através da medida da sua contracção e temperatura. Foi também desenvolvido um sistema refrigerador com resposta às leituras de temperatura com vista a evitar a necrose do osso. Foram efectuados estudos de deformação nesse cimento após a sua cura, como resultado da aplicação de cargas mecânicas estáticas. Foram efectuados estudos da cura de cimento ósseo aplicado a próteses de anca e também de deformações nestas próteses. Foi ainda efectuado o estudo comparativo de vários implantes dentários através da medida da distribuição de deformações como resposta a excitações mecânicas impulsivas. Para a desmodulação das FBG foram inicialmente utilizados sistemas comerciais. Entretanto algumas aplicações não puderam ser implementadas com estes sistemas comerciais devido à baixa reflectividade das FBG utilizadas, mas fundamentalmente devido à necessidade de executar testes com uma taxa de aquisição maior do que os 5 Hz disponíveis (cerca de 15 kHz). Por estes motivos foi desenvolvido um sistema optoelectrónico completo de desmodulação de FBG baseado num filtro sintonizável e que tem como característica principal a alta taxa de aquisição (até 1,2 MHz) mas também se destaca pela facilidade na reconfiguração dos parâmetros de leitura, pela apresentação duma interface de utilizador amigável e pela capacidade de operar com até 5 FBG na mesma fibra óptica.

Optical fiber accelerometer system for structural dynamic monitoring

In this study, the implementation of an optical accelerometer unit based on fiber Bragg gratings, suitable to monitor structures with frequencies up to 45 Hz, is reported. The developed optical system was used to estimate the structure eigenfrequencies of a steel footbridge, with a total length of 300 m, over the Sao Pedro Creek, located at University of Aveiro Campus, in Portugal. The acceleration records measured with this solution are compared with those obtained by traditional commercial electronic devices, revealing a root-mean-square error of 2.53 x 10(-5) G.

Sensores de Bragg para bioaplicações

Nas últimas décadas, os sensores de Bragg têm sido frequentemente utilizados em inúmeras aplicações, em resultado das características únicas desta tecnologia. Contudo, a comunidade científica tem feito um esforço contínuo em desenvolver sensores que respondam tanto quanto possível aos requisitos e interesses de cada aplicação em particular. As bioaplicações são um campo de crescente interesse pelos sensores de Bragg, atendendo à heterogeneidade e complexidade dos meios de análise em questão. No âmbito desta dissertação foi realizada uma análise teórica dos princípios de funcionamento das redes de Bragg, focada em redes uniformes e inclinadas. Foi também descrito o processo de produção de redes de Bragg regeneradas. Redes de Bragg uniformes foram aplicadas na caracterização da reacção de polimerização e cura de materiais dentários, nomeadamente resina para base de dentadura, cimentos e gessos. Foi feita uma análise comparativa do desempenho de diferentes tipos de cimentos e gessos. Em relação ao gesso foi ainda avaliada a influência do rácio água/pó nas propriedades do material. Devido à importância que o índice de refracção tem na detecção de substâncias, doenças e controlo de qualidade de produtos, foi desenvolvido um sensor de índice de refracção baseado numa rede de Bragg inclinada. Implementaram-se também sensores para medição simultânea de índice de refracção e deformação, índice de refracção e temperatura e índice de refracção, deformação e temperatura, todos baseados numa única rede inclinada. O último dispositivo foi validado em ambiente laboratorial. Com o propósito de desenvolver um sensor baseado em redes de Bragg para monitorização da deformação óssea, foi avaliada a biocompatibilidade da fibra óptica em cultura de células osteoblásticas, e analisada a integridade física e funcionalidade da rede de Bragg nesse meio. O interesse em aumentar a sensibilidade e alargar a gama de trabalho dos sensores conduziu ao revestimento das fibras ópticas. Atendendo ao potencial índole biológica e biomédica do trabalho, usou-se como material de recobrimento o diamante, dada a excelente resposta em termos de biocompatibilidade, resistência à corrosão, não toxicidade e afinidade para espécies químicas e biológicas. Os filmes foram obtidos por deposição química a partir da fase vapor assistida por filamento quente. Para além de amostras de fibra óptica, foram revestidas redes de Bragg uniformes e regeneradas. Os sensores revestidos com diamante foram caracterizados à deformação e à temperatura.

Fiber-optic components for optical communicatios and sensing

Nos últimos anos, a Optoelectrónica tem sido estabelecida como um campo de investigação capaz de conduzir a novas soluções tecnológicas. As conquistas abundantes no campo da óptica e lasers, bem como em comunicações ópticas têm sido de grande importância e desencadearam uma série de inovações. Entre o grande número de componentes ópticos existentes, os componentes baseados em fibra óptica são principalmente relevantes devido à sua simplicidade e à elevada de transporte de dados da fibra óptica. Neste trabalho foi focado um destes componentes ópticos: as redes de difracção em fibra óptica, as quais têm propriedades ópticas de processamento únicas. Esta classe de componentes ópticos é extremamente atraente para o desenvolvimento de dispositivos de comunicações ópticas e sensores. O trabalho começou com uma análise teórica aplicada a redes em fibra e foram focados os métodos de fabricação de redes em fibra mais utilizados. A inscrição de redes em fibra também foi abordado neste trabalho, onde um sistema de inscrição automatizada foi implementada para a fibra óptica de sílica, e os resultados experimentais mostraram uma boa aproximação ao estudo de simulação. Também foi desenvolvido um sistema de inscrição de redes de Bragg em fibra óptica de plástico. Foi apresentado um estudo detalhado da modulação acústico-óptica em redes em fibra óptica de sílica e de plástico. Por meio de uma análise detalhada dos modos de excitação mecânica aplicadas ao modulador acústico-óptico, destacou-se que dois modos predominantes de excitação acústica pode ser estabelecidos na fibra óptica, dependendo da frequência acústica aplicada. Através dessa caracterização, foi possível desenvolver novas aplicações para comunicações ópticas. Estudos e implementação de diferentes dispositivos baseados em redes em fibra foram realizados, usando o efeito acústico-óptico e o processo de regeneração em fibra óptica para várias aplicações tais como rápido multiplexador óptico add-drop, atraso de grupo sintonizável de redes de Bragg, redes de Bragg com descolamento de fase sintonizáveis, método para a inscrição de redes de Bragg com perfis complexos, filtro sintonizável para equalização de ganho e filtros ópticos notch ajustáveis.

Analysis of the topography of a Bragg grating in chalcogenide glass

Relief Bragg gratings were recorded on the surface of Ga-Ge-S glass samples by interference of two UV laser beams at 351 nm, Scanning force microscopy was used to perform a 3D image analysis of the resulting surface topography, which shows the superposition of an imprinted grating over the base topography of the glass. An important question regarding the efficiency of the grating is to determine to what extent the base topography reduces the intended coherent scattering of the grating because of its stochastic character. To answer this question we separated both base and grating structures by Fourier filtering, examined both spatial frequency and roughness, and determined the correlation. (C) 2001 Elsevier B.V. B.V. All rights reserved.

Thermal excitations of optical nanofibers measured with a fiber-integrated Fabry-Pérot cavity

Efficient coupling of light to quantum emitters, such as atoms, molecules or quantum dots, is one of the great challenges in current research. The interaction can be strongly enhanced by coupling the emitter to the eva-nescent field of subwavelength dielectric waveguides that offer strong lateral confinement of the guided light. In this context subwavelength diameter optical nanofibers as part of a tapered optical fiber (TOF) have proven to be powerful tool which also provide an efficient transfer of the light from the interaction region to an optical bus, that is to say, from the nanofiber to an optical fiber. rnAnother approach towards enhancing light–matter interaction is to employ an optical resonator in which the light is circulating and thus passes the emitters many times. Here, both approaches are combined by experi-mentally realizing a microresonator with an integrated nanofiber waist. This is achieved by building a fiber-integrated Fabry-Pérot type resonator from two fiber Bragg grating mirrors with a stop-band near the cesium D2-line wavelength. The characteristics of this resonator fulfill the requirements of nonlinear optics, optical sensing, and cavity quantum electrodynamics in the strong-coupling regime. Together with its advantageous features, such as a constant high coupling strength over a large volume, tunability, high transmission outside the mirror stop band, and a monolithic design, this resonator is a promising tool for experiments with nanofiber-coupled atomic ensembles in the strong-coupling regime. rnThe resonator's high sensitivity to the optical properties of the nanofiber provides a probe for changes of phys-ical parameters that affect the guided optical mode, e.g., the temperature via the thermo-optic effect of silica. Utilizing this detection scheme, the thermalization dynamics due to far-field heat radiation of a nanofiber is studied over a large temperature range. This investigation provides, for the first time, a measurement of the total radiated power of an object with a diameter smaller than all absorption lengths in the thermal spectrum at the level of a single object of deterministic shape and material. The results show excellent agreement with an ab initio thermodynamic model that considers heat radiation as a volumetric effect and that takes the emitter shape and size relative to the emission wavelength into account. Modeling and investigating the thermalization of microscopic objects with arbitrary shape from first principles is of fundamental interest and has important applications, such as heat management in nano-devices or radiative forcing of aerosols in Earth's climate system. rnUsing a similar method, the effect of the TOF's mechanical modes on the polarization and phase of the fiber-guided light is studied. The measurement results show that in typical TOFs these quantities exhibit high-frequency thermal fluctuations. They originate from high-Q torsional oscillations that couple to the nanofiber-guided light via the strain-optic effect. An ab-initio opto-mechanical model of the TOF is developed that provides an accurate quantitative prediction for the mode spectrum and the mechanically induced polarization and phase fluctuations. These high-frequency fluctuations may limit the ultimate ideality of fiber-coupling into photonic structures. Furthermore, first estimations show that they may currently limit the storage time of nanofiber-based atom traps. The model, on the other hand, provides a method to design TOFs with tailored mechanical properties in order to meet experimental requirements. rn

Integrating optical fiber force sensors into microforceps for ORL microsurgery

The delicate anatomy of the ear require surgeons to use great care when operating on its internal structures. One example for such an intervention is the stapedectomy, where a small crook shaped piston is placed in the oval window of the cochlea and connected to the incus through crimping thus bypassing the diseased stapes. Performing the crimp process with the correct force is necessary since loose crimps poorly transmit sound whereas tight crimps will eventually result in necrosis of the incus. Clinically, demand is high to reproducibly conduct the crimp process through a precise force measurement. For this reason, we have developed a fiber Bragg grating (FBG) integrated microforceps for use in such interventions. This device was calibrated, and tested in cadaver preparations. With this instrument we were able to measure for the first time forces involved in crimping a stapes prosthesis to the incus. We also discuss a method of attaching and actuating such forceps in conjunction with a robot currently under development in our group. Each component of this system can be used separately or combined to improve surgical accuracy, confidence and outcome.

Yellow laser light generation by frequency doubling of the output from a master oscillator fiber power amplifier system

We present a power-scalable approach for yellow laser-light generation based on standard Ytterbium (Yb) doped fibers. To force the cavity to lase at 1154 nm, far above the gain-maximum, measures must be taken to fulfill lasing condition and to suppress competing amplified spontaneous emission (ASE) in the high-gain region. To prove the principle we built a fiber-laser cavity and a fiber-amplifier both at 1154 nm. In between cavity and amplifier we suppressed the ASE by 70 dB using a fiber Bragg grating (FBG) based filter. Finally we demonstrated efficient single pass frequency doubling to 577 nm with a periodically poled lithium niobate crystal (PPLN). With our linearly polarized 1154 nm master oscillator power fiber amplifier (MOFA) system we achieved slope efficiencies of more than 15 % inside the cavity and 24 % with the fiber-amplifier. The frequency doubling followed the predicted optimal efficiency achievable with a PPLN crystal. So far we generated 1.5 W at 1154nm and 90 mW at 577 nm. Our MOFA approach for generation of 1154 nm laser radiation is power-scalable by using multi-stage amplifiers and large mode-area fibers and is therefore very promising for building a high power yellow laser-light source of several tens of Watt.

Tunable compensation of second and third order dispersion by non-uniformly strained chirped fibre Bragg grating

A novel fibre grating device is demonstrated with tuneable chromatic dispersion slope. The tuning range is 70 to 190 ps/nm and 0 to 25 ps/nm2 for the second and third order dispersion, respectively.

The interrogation and multiplexing of long period grating curvature sensors using a Bragg grating based, derivative spectroscopy technique

A long period grating is interrogated with a fibre Bragg grating using a derivative spectroscopy technique. A quasi-linear relationship between the output of the sensing scheme and the curvature experienced by the long period grating is demonstrated, with a sensitivity of 5.05 m and with an average curvature resolution of 2.9 × 10-2 m-1. In addition, the feasibility of multiplexing an in-line series of long period gratings with this interrogation scheme is demonstrated with two pairs of fibre Bragg gratings and long period gratings. With this arrangement the cross-talk error between channels was less than ± 2.4 × 10-3 m-1.

Extended range interrogation of wavelength division multiplexed fibre Bragg grating sensors using an arrayed waveguide grating

A technique for interrogating multiplexed fibre Bragg grating (FBG) sensors using an arrayed waveguide grating (AWG) is described. The approach considerably extends the sensing range from that achieved previously, while providing a strain resolution of 17nevHz at 30 Hz.

High-resolution, wavelength-division-multiplexed in-fibre Bragg grating sensor system

A novel wavelength-division-multiplexed in-fibre Bragg grating sensor system combined with high resolution drift-compensated interferometric wavelength-shift detection is described. This crosstalk-free system is based on the use of an interferometric wavelength scanner and a low resolution spectrometer. A four element system is demonstrated for temperature measurement, and a resolution of ±0.1°C has been achieved.

Wavelength-division and spatial multiplexing using tandem interferometers for Bragg grating sensor networks

We present a new method for the interrogation of large arrays of Bragg grating sensors. Eight gratings operating between the wavelengths of 1533 and 1555 nm have been demultiplexed. An unbalanced Mach—Zehnder interferometer illuminated by a single low-coherence source provides a high-phase-resolution output for each sensor, the outputs of which are sequentially selected in wavelength by a tunable Fabry-Perot interferometer. The minimum detectable strain measured was 90 ne-vHz at 7 Hz for a wavelength of 1535 nm.