II Mostra de Pesquisa e Pós-Graduação - MOPP 2010
Transdutor ótico com estruturas de redes de período longo para análise
refratométrica de líquidos
Marianne S. Kawano, Gustavo R.C. Possetti, Ricardo Canute Kamikawachi, Marcia Muller, José Luís Fabris
Laboratório de Laser
RESUMO
Este trabalho apresenta um estudo da aplicabilidade de uma rede de período longo
modificada para atuar como um interferômetro de Michelson em medidas refratométricas
de substâncias líquidas que possuem índices de refração iguais ou maiores que o da
casca da fibra ótica em temperatura ambiente. As substâncias de amostra foram
analisadas em temperaturas variando entre 20,0 ºC e 120,0 ºC. A associação entre a
resposta espectral do interferômetro em fibra e o aumento sistemático da temperatura do
mensurando líquido constitui uma promissora ferramenta para análise de substâncias que
possuem coeficientes termo-óticos negativos e índices de refração iguais ou maiores que o
da casca da fibra ótica.
RESULTADOS
 Sistema construído para caracterização das substâncias com diferentes índices de refração.
INTRODUÇ
INTRODUÇÃO
G
1,4733 ± 0,0002
Casca da Fibra
1,4558 ± 0,0027
-7
-8
-9
-10
-11
 A rede de período longo-LPG é uma modulação periódica produzida no índice de
Ar (n= 1)
Amostra F (n= 1,4562 ± 0,0003)
Amostra G (n= 1,4733 ± 0,0002)
-13
1500
1520
1540
1560
1580
1600
Comprimento de Onda (nm)
Espectros de resposta do transdutor totalmente imerso nas substâncias F e G, em temperaturas
maiores que a temperatura ambiente.
(b - Substância G)
(a - Substância F)
0
100°C
100°C
80°C
-5
60°C
-10
32°C
-15
30°C
-20
28°C
Atenuação (dB) (com offset)
Atenuação (dB) (com offset)
0
-5
90°C
-10
80°C
78°C
-15
76°C
-20
74°C
-25
-25
Em um interferômetro de Michelson em fibra, a potência ótica que se propaga nos
modos de casca, acoplados pela LPG, apresenta um atraso de fase em relação àquela
que se propaga no núcleo e, após a reflexão na extremidade espelhada, o sinal ótico é
reacoplado, pela LPG, para o modo fundamental, onde se recombina com a porção
refletida confinada no núcleo. A recombinação das duas componentes resulta em uma
série de franjas de interferência no espectro de transmissão do dispositivo.
Alterações no índice de refração do meio externo modificam a condição de casamento
de fase entre os modos de casca e o modo fundamental de núcleo, resultando no
deslocamento das franjas.
1,4562 ± 0,0003
-6
-12
cl, n
λ n  (n co
eff  n eff )Λ  δn eff Λ
1,000
F
-5
TEORIA
refração do núcleo de uma fibra ótica. O dispositivo acopla a potência ótica do modo
fundamental guiado para modos de casca co-propagantes em comprimentos de onda de
ressonância fornecidos pela condição de casamento de fase.
A sensibilidade da LPG ao meio externo resulta da dependência do comprimento de
onda de ressonância com o índice de refração do meio externo ao dispositivo.
Ar
Espectros obtidos com o dispositivo interferométrico quando totalmente em contato com o ar e
com as substâncias F e G em temperatura ambiente (20,0 ºC).
Atenuação (dB)
As redes de período longo (LPG – Long Period Gratings) são dispositivos produzidos em
fibras óticas que se tornaram importantes ferramentas na área de sensoriamento.
Possuem características ímpares como: baixo tempo de resposta, baixa reatividade
química, passividade elétrica, imunidade eletromagnética, reduzidas dimensões físicas e
alta sensibilidade ao índice de refração. Estas qualidades propiciam a aplicabilidade
desses dispositivos como sensores químicos aptos a analisar as propriedades de
diferentes substâncias. Com intuito de otimizar o desempenho do dispositivo, é possível
utilizar um refratômetro de Michelson, constituído por uma LPG em um segmento de fibra
com a extremidade espelhada. E, para realizar a detecção de substâncias que possuem
índices de refração igual ou maior que o índice de refração da casca da fibra ótica, à
temperatura ambiente, pode-se aumentar a temperatura das mesmas e, com isso, as
substâncias tem seus índices de refração reduzidos, por conta do efeito termo-ótico.
Nessa condição, os líquidos passam a ser avaliados dentro da faixa de maior sensibilidade
ao índice de refração do transdutor.
Índice de Refração
Substância
1500
1520
1540
1560
1580
1600
1500
Comprimento de Onda (nm)
1520
1540
1560
1580
1600
Comprimento de Onda (nm)
CONCLUSÕES
Aplicabilidade do interferômetro em fibra para análise refratométrica de líquidos com índices de
refração igual ou maior que o da casca da fibra ótica (em temperatura ambiente), desde que
associado a um sistema capaz de manter a temperatura adequada para as análises das amostras.
Capacidade do dispositivo em determinar concentração de substâncias em misturas,
independente do valor de índice de refração das substâncias.
Agradecimentos
Os autores agradecem o apoio fornecido pela CAPES, CNPq, FINEP,
Fundação Araucária e ANP – Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e
Biocombustíveis – PRH – ANP/MCT (PRH10 – UTFPR).
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