Polymer fibre Bragg gratings and sensing

Polymer FBGs have advantages for sensing because of low Young's modulus, high temperature sensitivity, large strain range and so on. They are attractive for many niche applications such as structural health monitoring of composite materials, biochemical and biomedical sensing. While polymer FBGs have been developed for some time, polymer microfibre Bragg gratings are developed only recently and have shown to introduce some interesting features, e.g. increased pressure sensitivity to pressure / force and improved response time to humidity. We will report and discuss the recent work on polymer FBG and polymer microfibre Bragg gratings as well as their applications such as accelerometer, humidity sensor and force and pressure sensor. © 2015 OSA.

Liquid core fibre Bragg grating based refractive index sensor formed by femtosecond assisted chemical etching technique

We report the fabrication of a refractive index (RI) sensor based on a liquid core fibre Bragg grating (FBG). A micro-slot FBG was created in standard telecom optical fibre employing the tightly focused femtosecond laser inscription aided chemical etching. A micro-slot with dimensions of 5.74(h) × 125(w) × 1388.72(l) μm was engraved across the whole fibre and along 1mm long FBG which gives advantage of a relatively robust liquid core waveguide. The device performed the refractive index sensitivity up to about 742.72 nm/RIU. © 2011 Copyright Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE).

Performance analysis of polymer optical fibre based Fabry-Perot sensor formed by two uniform Bragg gratings

The stress sensitivity of polymer optical fibre (POF) based Fabry-Perot sensors formed by two uniform Bragg gratings with finite dimensions is investigated. POF has received high interest in recent years due to its different material properties compared to its silica counterpart. Biocompatibility, a higher failure strain and the highly elastic nature of POF are some of the main advantages. The much lower Young’s modulus of polymer materials compared to silica offers enhanced stress sensitivity to POF based sensors which renders them great candidates for acoustic wave receivers and any kind of force detection. The main drawback in POF technology is perhaps the high fibre loss. In a lossless fibre the sensitivity of an interferometer is proportional to its cavity length. However, the presence of the attenuation along the optical path can significantly reduce the finesse of the Fabry-Perot interferometer and it can negatively affect its sensitivity at some point. The reflectivity of the two gratings used to form the interferometer can be also reduced as the fibre loss increases. In this work, a numerical model is developed to study the performance of POF based Fabry-Perot sensors formed by two uniform Bragg gratings with finite dimensions. Various optical and physical properties are considered such as grating physical length, grating effective length which indicates the point where the light is effectively reflected, refractive index modulation of the grating, cavity length of the interferometer, attenuation and operating wavelength. Using this model, we are able to identify the regimes in which the PMMA based sensor offer enhanced stress sensitivity compared to silica based one.

Improving the response time of polymer optical fibre Bragg grating water activity sensors

In this work we investigate the effect of temperature and diameter size on the response time of a poly(methyl methacrylate) based, polymer optical fibre Bragg grating water activity sensor. The unstrained and etched sensor was placed in an environmental chamber to maintain controlled temperature and humidity conditions and subjected to step changes in humidity. The data show a strong correlation between decrease in diameter and shorter response time. A decrease in response time was also observed with an increase in temperature.

Humidity sensitivity of topas optical fibre bragg grating

Fibre Bragg gratings at 1568nm have been inscribed in single mode TOPAS microstructured polymer optical fibre to characterise thermal and humidity sensitivity of the fibres in the 1550nm spectral region. Results demonstrate a temperature sensitivity of approximately -36 pm/°C and a humidity sensitivity of no more than - 0.59 pm/%RH. The fibre material appears to be very attractive for long term monitoring of high strains because of its insensitivity to humidity.

3D printed sensing patches with embedded polymer optical fibre Bragg gratings

The first demonstration of a polymer optical fibre Bragg grating (POFBG) embedded in a 3-D printed structure is reported. Its cyclic strain performance and temperature characteristics are examined and discussed. The sensing patch has a repeatable strain sensitivity of 0.38 pm/μepsilon. Its temperature behaviour is unstable, with temperature sensitivity values varying between 30-40 pm/°C.

Formulazione e caratterizzazione di geopolimeri come nuovi materiali refrattari

Il presente lavoro di tesi è finalizzato all'ottimizzazione della formulazione iniziale e delle condizioni di stagionatura per ottenere un materiale utilizzabile come refrattario in applicazioni che richiedono elevate temperature di esposizione. L’interesse della ricerca scientifica verso questa nuova classe di materiali nasce dai vantaggi ambientali ed economici che essi possono fornire. Inoltre, le buone proprietà di resistenza e stabilità termica evidenziate dagli studi condotti negli ultimi anni inducono a sperimentare l’impiego dei materiali geopolimerici in sostituzione dei materiali refrattari o cementiferi attualmente in commercio. A tal fine sono state determinate le caratteristiche fisico-meccaniche, microstrutturali e termiche di matrici geopolimeriche additivate con scarti refrattari. Lo studio svolto, si può suddividere in tre fasi successive. Inizialmente sono state ottimizzazione le formulazioni geopolimeriche. Successivamente i prodotti ottenuti sono stati oggetto di caratterizzazione fisico-meccanica, microstrutturale e termica. Tali caratterizzazioni sono state eseguite attraverso: analisi al microscopio ottico, assorbimento di acqua, determinazione della densità geometrica, prove ultrasoniche per la determinazione dell’omogeneità del materiale, resistenza meccanica a compressione, diffrattometria ai raggi X (XRD), microscopio riscaldante, ciclo termico in muffola e analisi dilatometriche. Nella terza fase sono stati analizzati ed elaborati i risultati ottenuti, evidenziando le soddisfacenti proprietà di stabilità e resistenza termica. È stata inoltre effettuata una analisi economica preliminare evidenziando la competitività nel marcato del sistema geopolimerico studiato. Se a questo si aggiungono i considerevoli benefici ambientali dovuti al fatto che il prodotto è ottenuto con sostanze di recupero, non sarebbe sorprendente che in un futuro prossimo i geopolimeri possano essere largamente prodotti e commercializzati.

Analisi e caratterizzazione dei materiali di rinforzo nelle sovrastrutture stradali

Nel presente elaborato è stato studiato l'effetto prodotto dall'inserimento di interstrati di rinforzo tra strati legati di una pavimentazione. Si è realizzato un confronto tra due pavimentazioni, una rinforzata e l'altra di controllo, mediante il software di calcolo OLCRACK, aventi le medesime caratteristiche geometriche e gli stessi materiali. In questo modo è stato possibile osservare l'effetto della griglia di rinforzo nel contrastare e ritardare il fenomeno del reflective cracking. Parallelamente è stata effettuata un'indagine sperimentale in laboratorio su travetti bi-strato rinforzati con due tipologie differenti di griglie. I risultati hanno evidenziato l'importanza del ricoprimento sulla griglia, poiché i travetti più spessi hanno dato una risposta migliore alla vita a fatica. In più è stata osservata l'importanza della resistenza a trazione della griglia nell'incremento dei cicli a rottura dei provini.

Elettrodeposizione di catalizzatori a base di Rh su schiume e fibre metalliche di FeCrAlloy per la produzione di syngas

The preparation of structured catalysts active in the catalytic partial oxidation of methane to syngas, was performed by electrosynthesis of hydroxides on FeCrAlloy foams and fibers. Rh/Mg/Al hydrotalcite-type compounds were prepared by co-precipitation of metallic cations on the support and successive calcination. Electrochemical reactions have been studied during the electrodeposition by linear sweep voltammetry. The experiments were performed at supports immersed in KNO3, KCl, Mg2+ and Al3+ aqueous solutions, starting by different precursors (nitrate and chlorides salts) and modifying the Mg/A ratio. Rh/Mg/Al hydrotalcite-type compounds were deposited on metal foams by applying a -1.2V vs SCE potential for 2000s with a nitrate solution of 0.06M total metal concentration. Firstly it was studied the effect of Mg on the coating propierties, modifying the Rh/Mg/Al atomic ratio (5/70/25, 5/50/45, 5/25/70 e 5/0/95). Then the effect of the amount of Rh was later investigated in the sample with the largest Mg content (Rh/Mg/Al = 5/70/25 and 2/70/28).The results showed that magnesium allowed obtaining the most homogeneous and well adherent coatings, wherein rhodium was well dispersed. The sample with the Rh/Mg /Al ratio equal to5/70/25 showed the best catalytic performances. Decreasing the Rh content, the properties of the coating were not modified, but the catalytic activity was lower, due to a not enough number of active sites to convert the methane. The work on metal fibers focused on the effect of precursor concentration, keeping constant composition, potential and synthesis time at the values of Rh/Mg/Al =5/70/25, -1.2V vs SCE and 1000s. However fibers geometry did not allow to obtain a high quality coating, even if results were quite promising.

Ingegnerizzazione di materiali nanostrutturati fotocataliticamente attivi

Il lavoro oggetto di questa tesi è rivolto alla sintesi e alla caratterizzazione di materiali nanostrutturati costituiti da biossido di titanio e ossido di silicio da utilizzare come fotocatalizzatori per la depurazione delle acque. L’obiettivo è stato quello di realizzare un sistema in fase solida costituito da una matrice inerte, la silice, e una fase fotocataliticamente attiva, la nano-TiO2. Tale sistema si inserisce perfettamente nel settore di ricerca che studia la sintesi colloidale di eterostrutture nano e micro cristalline che combinano materiali diversi in un’unica particella. Il progetto nasce all’interno dell’ISTEC-CNR di Faenza, dove è stato svolto il lavoro.

Accessori per sistemi in cavo nella trasmissione dell'energia elettrica in HVDC: definizione di modelli fisici per la caratterizzazione di materiali isolanti, semiconduttivi e varioresistivi

Lo studio intrapreso si è posto come obiettivo la caratterizzazione dal punto di vista elettrico dei materiali coinvolti nella realizzazione di accessori per applicazioni in HVDC, in particolare mescole isolanti, semiconduttive e varioresistive. La necessità di un lavoro di questo tipo viene giustificata dalla costante espansione dei sistemi in DC nella trasmissione dell’energia elettrica, i quali presentano caratteristiche fisiche che si differenziano sensibilmente da quelle tipiche dei tradizionali sistemi in AC, dunque richiedono componenti e materiali opportunamente progettati per garantire condizioni di servizio sicure e affidabili. L’obiettivo della trattazione consiste nello studio di analogie e differenze tra le proprietà elettriche fornite da prove su diverse configurazioni di provini, nella fattispecie di tipo piano e cilindrico cavo. In primo luogo si studiano i provini di tipo piano al fine di ricavare informazioni basilari sul materiale e sulla mescola che lo costituisce e di prendere decisioni relative al proseguimento dei test. Dopo aver effettuato un sufficiente numero di test su varie tipologie di provini piani e aver riconosciuto le mescole più performanti dal punto di vista elettrico, meccanico e termico, si procede alla realizzazione di provini cilindrici stampati, su cui si intraprendono le medesime misure effettuate per la configurazione piana. Questa seconda fase di caratterizzazione è fondamentale, in quanto consente di verificare che le proprietà già studiate su piastra si conservino in una geometria molto più simile a quella assunta dal prodotto finale evitando di sostenere costi onerosi per la produzione di un accessorio full-size. Il lavoro è stato svolto nel laboratorio elettrico di alta tensione della divisione R&D del gruppo Prysmian di Milano, leader mondiale nella produzione di sistemi in cavo per alte e altissime tensioni.

Simulazioni Monte Carlo delle proprietà ottiche di un rivelatore per misure di flusso di neutroni ad alta energia

I neutroni possono essere classificati in base all'energia e per anni lo studio sui neutroni si è focalizzato verso le basse energie, ottenendo informazioni fondamentali sulle reazioni nucleari. Lo studio per i neutroni ad alta energia (E >20 MeV) ha ultimamente suscitato un vivo interesse, poiché i neutroni hanno un ruolo fondamentale in una vasta gamma di applicazioni: in campo medico, industriale e di radioprotezione. Tuttavia le informazioni sperimentali (sezioni d'urto) in nostro possesso, in funzione dell'energia dei neutroni, sono limitate, considerando che richiedono la produzione di fasci con un ampio spettro energetico e delle tecniche di rivelazione conforme ad essi. La rivelazione dei neutroni avviene spesso attraverso il processo di scintillazione che consiste nell'eccitazione e diseccitazione delle molecole che costituiscono il rivelatore. Successivamente, attraverso i fotomoltiplicatori, la luce prodotta viene raccolta e convertita in impulsi energetici che vengono registrati ed analizzati. Lo scopo di questa tesi è quello di testare quale sia la migliore configurazione sperimentale di un rivelatore costituito da scintillatori e fotomoltiplicatori per quanto riguarda la raccolta di luce, utilizzando una simulazione Monte Carlo per riprodurre le proprietà ottiche di un rivelatore per misure di flusso di un rivelatore ad alta energia.

Switchable dual-wavelength erbium-doped fibre laser utilizing two-channel fibre Bragg grating fabricated by femtosecond laser

We propose and demonstrate a switchable dual-wavelength erbium-doped fibre ring laser. Competition between the lasing wavelengths in erbium-doped fibre laser at room temperature is suppressed by incorporating a two-channel fibre Bragg grating (TC-FBG), which consists of two highly localized sub-gratings fabricated by femtosecond laser in single mode fibre. Wavelengths and polarization states of the lasing lines are selected by the TC-FBG. Laser output can be switched between single- and dual-wavelength operations by simply adjusting the polarization controller. Stable dual-wavelength output is verified at room temperature with a power fluctuation less than 0.27 dB, and wavelength fluctuation less than 0.004 nm.

Fibre Bragg gratings fabrication in four core fibres

Due to the limitation of the lens effect of the optical fibre and the inhomogeneity of the laser fluence on different cores, it is still challenging to controllably inscribe different fibre Bragg gratings (FBGs) in multicore fibres. In this article, we reported the FBG inscription in four core fibres (FCFs), whose cores are arranged in the corners of a square lattice. By investigating the influence of different inscription conditions during inscription, different results, such as simultaneous inscription of all cores, selectively inscription of individual or two cores, and even double scanning in perpendicular core couples by diagonal, are achieved. The phase mask scanning method, consisting of a 244nm Argon-ion frequencydoubled laser, air-bearing linear transfer stage and cylindrical lens and mirror setup, is used to precisely control the grating inscription in FCFs. The influence of three factors is systematically investigated to overcome the limitations, and they are the defocusing length between the cylindrical lens and the bare fibre, the rotation geometry of the fibre to the irritation beam, and the relative position of the fibre in the vertical direction of the laser beam.

Embedding silica and polymer fibre Bragg gratings (FBG) in plastic 3D-printed sensing patches

This paper reports the first demonstration of a silica fibre Bragg grating (SOFBG) embedded in an FDM 3-D printed housing to yield a dual grating temperature-compensated strain sensor. We also report the first ever integration of polymer fibre Bragg grating (POFBG) within a 3-D printed sensing patch for strain or temperature sensing. The cyclic strain performance and temperature characteristics of both devices are examined and discussed. The strain sensitivities of the sensing patches were 0.40 and 0.95 pm/μϵ for SOFBG embedded in ABS, 0.38 pm/μμ for POFBG in PLA, and 0.15 pm/μμ for POFBG in ABS. The strain response was linear above a threshold and repeatable. The temperature sensitivity of the SOFBG sensing patch was found to be up to 169 pm/°C, which was up to 17 times higher than for an unembedded silica grating. Unstable temperature response POFBG embedded in PLA was reported, with temperature sensitivity values varying between 30 and 40 pm/°C.