BRPI0309675B1 - sensor a laser de fibra de alta resolução - Google Patents

Abstract

"sensor a laser de fibra de alta resolução". a presente invenção refere-se a um sensor a laser de fibra de alta resolução para medir uma quantidade a ser medida (m), que tem uma fonte de luz de bombeamento (2), um laser de fibra (1) e uma unidade de detecção/ avaliação (3). o laser de fibra (1) tem: um primeiro refletor de extremidade birrefringente (11) e um segundo refletor de extremidade (12), uma fibra de amplificação de laser (13), uma fibra sensora (14) e um meio para acoplamento de modo (15). a fibra de amplificação de laser (13), a fibra sensora (14) e o meio para acoplamento de modo (15) são dispostos entre o refletores de extremidade (11, 12). no laser de fibra (1), luz é capaz de se propagar em dois estados óticos (x,y; lp<39>~ 01~,lp<39>~ 11~), que são ortogonais um ao outro devido a sua polarização e/ou sua estrutura de espaço transversal. os estados óticos ortogonais (x,y; lp<39>~ 01~,lp<39>~ 11~) podem ser acoplados um ao outro pelo meio para acoplamento de modo (15). no laser de fibra (1) um número de modos longitudinais (lm^ x^~ p~, lm^ x^~ p+1~..., lm^ y^~ q~, lm^ y^~ q+1~..., lm^ 01^~ p~, lm^ 01^~ p+1~..., lm^ 11^~ q~, lm^ 11^~ q+1~...) são capazes de oscilar em cada um dos dois estados óticos (x,y; lp<39>~ 01~,lp<39>~ 11~). na fibra sensora (14) uma mudança na birrefringência para os dois estados óticos ortogonais (x,y; lp<39>~ 01~,lp<39>~ 11~) pode ser obtida pela interação da quantidade a ser medida (m) com a fibra sensora (14). a mudança na birrefringência resulta em uma mudança nas freqüências de batimento na emissão do laser. devido ao fato de que o primeiro refletor de extremidade (11) é dessintonizado com relação ao segundo refletor de extremidade (12), é possível detectar sinais de batimento individuais do modo de polarização em lugar de um sinal de batimento que consiste em um número de sinais de pmb degenerados e é, portanto, ampliado. uma alta resolução de sensor é obtida.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SENSOR A LASER DE FIBRA DE ALTA RESOLUÇÃO".

Descrição Campo Técnico A invenção refere-se ao campo da tecnologia do sensor de fibra ótica. Ela refere-se a um sensor a laser de fibra, como reivindicado no preâmbulo da reivindicação 1, e a um método correspondente para medir uma quantidade a ser medida, como reivindicado no preâmbulo da reivindicação 10. Técnica Anterior Esse sensor de fibra ótica que forma o preâmbulo da reivindicação 1 é conhecido, por exemplo, do Pedido de Patente aberto à inspeção pública EP 106 03 72. Nesse documento, é divulgado um sensor que, em particular, é adequado para medir pressões e compreende uma fonte de luz de bombeamento, um laser de fibra de Fabry-Perot, uma unidade de detecção, uma unidade de avaliação e várias de fibras de alimentação. Entre outras coisas, as fibras de alimentação ligam a fonte de luz de bombeamento ao laser de fibra e o laser de fibra à unidade de detecção. O laser de fibra consiste em dois refletores de extremidade construídos como grades de fibras de Bragg (FBG) e uma fibra de laser. A fibra de laser compreende uma fibra de amplificação - laser e uma fibra sensora. A fonte de luz de bombeamento excita oticamente a fibra de amplificação a laser Ει·3* -dopada e gera uma inversão de população. O laser de fibra oscila em duas direções de polarização, que são ortogonais uma à outra. Para cada direção de polarização, o campo de luz do laser consiste em um ou mais modos longitudinais. Se a fibra sensora é exposta à pressão a ser medida, uma mudança proporcional na birrefringência para os dois estados óticos mutuamente ortogonais é obtida. Com essa finalidade, a fibra sensora tem uma estrutura não rotaci-onalmente simétrica, por exemplo, um núcleo elíptico. As direções mutuamente ortogonais de polarização x, y do laser são alinhadas em paralelo com os eixos geométricos principais da birrefringência.

Se luz for acoplada fora do laser e colocada em interferência em um analisador da unidade de detecção, um espectro de freqüências é obtido, o qual, à parte das freqüências óticas que estão na faixa em tomo de 1014 Hz e, portanto, não podem ser medidas diretamente, também contém sinais de batimento mensuráveis de freqüências menores. Estes compreendem, por um lado, sinais de batimento de modo longitudinal (sinais de LMB), que são produzidos pela interferência entre diferentes modos longitudinais do mesmo estado ótico (polarização). Aqueles sinais com a freqüência mais baixa estão, tipicamente, na faixa de freqüências de 50 MHz a 5 GHz. Por outro lado, há também os sinais de batimentos de modo de polarização (sinais de PMB), que resultam da interferência entre os modos longitudinais de diferentes estados óticos (polarizações). A freqüência dos sinais de PMB muda proporcionalmente à birrefringência induzida por uma mudança de pressão em boa aproximação. Isso proporciona um sinal de medição de freqüência codificada proporcional à pressão.

Em uma concretização especial do sensor de pressão da EP 106 03 72 mencionado, a fibra de laser consiste em dois segmentos de fibras birrefringentes similares, que são girados em 90° com relação um ao outro. Apenas um dos dois segmentos, a saber, aquele usado como fibra sensora, é exposto à pressão a ser medida. As influências de temperatura que atuam sobre ambos os segmentos de fibra são canceladas devido à junção de 90°. A pressão pode, então, ser medida, sem ser influenciada pelas flutuações de temperatura. Sem a junção de 90°, essas flutuações de temperatura levam à imprecisões de medição.

Devido às características de dispersão dos materiais da fibra e outros efeitos, por exemplo, "arrasto da freqüência", a separação de freqüências entre dois modos longitudinais adjacentes do mesmo estado ótico no laser de fibra não é completamente constante, mas ligeiramente dependente da freqüência. Desse modo, quando um número de modos longitudinais estão oscilando no laser de fibra e esses efeitos são ligeiramente diferentes para as duas direções de polarização, isso levará a um ligeiro alargamento da freqüência do sinal de medição. Esse está, tipicamente, na faixa de menos do que 10 Hz por separação de freqüências entre modos longitu- dinais adjacentes. Na EP 106 03 72 mencionada, é proposto, para aperfeiçoamento da resolução do sensor, minimizar a influência da dispersão no laser de fibra pela redução do número de modos longitudinais que oscilam no laser de fibra a uns poucos modos. Isso pode ser obtido pela escolha de um comprimento de cavidade curto e pelo uso de FBGs de banda estreita com, por exemplo, uma largura de banda de 200 pm como refletores de extremidades.

Sensores de desenhos similar, particularmente sensores de tensão, são divulgados no relatório descritivo de patentes US 5.513.913 e US 5.564.832 e no artigo de G. A. Bali e outros "Polarimetric heterodyning Bragg-grating fiber-laser sensor", Optics Letters 18 (22), p. 1976 - 1978. No último documento mencionado, uma redução na largura de linha dos sinais de PMB é obtida através da redução do número de modos longitudinais oscilantes através da escolha de um comprimento de cavidade curto de 2,5 cm e usando FBGs de reflexão de banda estreita. Desse modo, larguras de linha de sinais de PMB de menos do que 2,5 kHz foram obtidas.

No artigo "Polarization contrai of polarimetric fiber-laser sensors", Opt. Lett. 18, 1465 (1993), de Η. K. Kim, S.K. Kim e B. Y. Kim, um sensor a laser de fibra é apresentado, o qual tem espelhos padronizados como refletores de extremidade. Como o laser de fibra também tinha um grande comprimento de cavidade de laser de 340 cm, um grande número de modos longitudinais estavam ativos. Sob essas circunstâncias, a birrefringência da fibra de laser levou a problemas na interpretação dos espectros de sinais, uma vez que os sinais de LMB e os sinais de PMB se sobrepunham grandemente no espectro. Foi possível minimizar esses problemas através de uma junção de 90° no centro da fibra de laser. Para esse sensor, larguras de linha de 1,2 MHz foram obtidas para sinais de PMB, correspondentes a 4 x 10'2 da faixa espectral livre (FSR) do ressonador a laser.

Na US 5.448.657, um sensor a laser de fibra é descrito o qual opera com detecção de sinal de PMB.

Em todos os sensores a laser de fibra de Fabry-Perot que oscilam em diversos modos longitudinais por estado ótico (polarização), a reso- lução é limitada por uma alargamentos dos sinais de PMB. Esse alargamento é o resultado dos sinais de PMB pertencentes aos vários pares de modos longitudinais e formação de um pico de PMB medido normalmente de uma dada ordem não sendo degenerado perfeitamente. Em particular, forte alargamento de linha é obtido no caso de fibras de laser birrefringentes.

Descrição da Invenção É, portanto, o objetivo da invenção criar um sensor a laser de fibra do tipo inicialmente mencionado e um método de medição correspondente, que não têm as desvantagens mencionadas acima. Em particular, é pretendido obter uma alta precisão de medição, produção eficaz em custo e aplicabilidade versátil.

Esse objetivo é obtido por um sensor a laser de fibra tendo as características da reivindicação 1 e por um método tendo as características da reivindicação 10.

No sensor de acordo com a invenção, os dois refletores de extremidades são dessintonizados com relação um ao outro. Como o sensor a laser de fibra compreende os meios para acoplamento de modo e pelo menos o primeiro refletor de extremidade é birrefringente, a degeneração extensiva dos sinais de PMB para cada ordem pode ser cancelada. A separação de freqüências entre modos longitudinais adjacentes em um primeiro dos dois estados óticos ortogonais é maior do que a separação de freqüências entre modos longitudinais adjacentes no segundo dos dois estados óticos ortogonais. A degeneração dos sinais de PMB de uma dada ordem pode ser cancelada até uma extensão tal que esses sinais de PMB não se sobrepõem (ou raramente) e são, assim, detectáveis individualmente. Um primeiro refletor de extremidade do laser de fibra é dessintonizado com relação ao segundo refletor de extremidade de modo que, como um resultado, a degeneração de sinais de batimento detectados é cancelada. Desse modo, um sinal pode ser detectado e avaliado, o qual é produzido pela interferência entre exatamente dois modos longitudinais; esses dois modos longitudinais têm dois estados mutuamente ortogonais diferentes de polarização linear ou têm duas estruturas de espaços transversais mutuamente ortogonais. A lar- gura de linha do sinal detectado é reduzida distintamente devido à dessinto-nização mútua dos refletores de extremidade. Desse modo, uma resolução aperfeiçoada é obtida.

Sinais de medição podem ser avaliados em bandas de baixa fre-qüência e pelo uso de componentes eletrônicos de avaliação correspondentemente eficazes em custo, obtendo uma alta resolução, não obstante. Também é possível obter a mesma resolução como por meio de componentes eletrônicos de avaliação mais elaborados em um sensor conhecido da técnica anterior em um sensor de acordo com a invenção pelo uso de componentes eletrônicos mais simples e correspondentemente mais eficazes em custo. O fato de que um laser com uma cavidade de laser longa pode ser usado em um sensor de acordo com a invenção proporciona uma alta resolução, por um lado. Por outro lado, também permite um grande componente de interação do sensor com a quantidade a ser medida e proporciona aplicabilidade versátil do sensor.

Os deslocamentos de fase experimentados pela luz quando ela é refletida nos refletores de extremidades são um aspecto importante. A soma das primeiras derivadas (com relação à freqüência) do deslocamento de fase φ na reflexão no primeiro e no segundo refletores de extremidade é maior para a luz que está em um primeiro dos dois estados óticos ortogonais do que para a luz que está no segundo dos dois estados óticos. Se os refletores de extremidade forem construídos de tal maneira que essa condição seja satisfeita, o cancelamento de degeneração e o aperfeiçoamento na resolução de acordo com a invenção são obtidos. Uma possibilidade de construção dos refletores de extremidade dessa maneira é dessintonizar os refletores de extremidades com relação um ao outro. A dispersão do deslocamento de fase φ na reflexão significa que a derivada do deslocamento de fase φ com relação à freqüência v (na freqüência em que o estado ótico correspondente está oscilando no laser).

Em uma concretização preferida da matéria em questão da invenção, os dois estados óticos ortogonais capazes de propagação no laser são dois modos de polarização linear. Uma junção de fibras de 90° é, então, usada, de preferência, como o meio para acoplamento de modos. Os dois modos de polarização, de preferência, têm a mesma estrutura de espaço transversal.

Em uma concretização preferida da matéria em questão da invenção, os dois estados óticos ortogonais capazes de oscilar no laser são dois modos de espaço transversal, particularmente LP0i e LPneven. Uma junção de fibras deslocadas lateralmente é, então, de preferência, usada como o meio para acoplamento de modos. Esses dois modos de espaços ortogonais, de preferência, têm a mesma polarização linear.

Em uma outra concretização preferida da matéria em questão da invenção, exatamente dois estados óticos ortogonais são capazes de propagação no laser de fibra. Como um resultado, o sensor pode ser operado com baixa potência de bombeamento el ou com uma fibra de laser apenas ligeiramente dopada. Isso também simplifica a avaliação de sinais.

Em uma outra concretização preferida, o laser de fibra é construído simetricamente: toda fibra de laser é uma fira com uma seção transversal de núcleo elíptica e atua como uma fibra de amplificação de laser. Além da dessintonização mútua, os dois refletores de extremidades são construídos como grades de fibras de Bragg birrefringentes, que são inscritas na fibra de amplificação a laser. O meio para acoplamento de modo é disposto no centro do comprimento do curso ótico entre os dois refletores de extremidade e a seção da fibra de amplificação a laser disposta entre um dos refletores de extremidade e o meio para acoplamento de modo é usado como fibra sensora. Esse sensor construído simetricamente tem a vantagem de ser estabilizado contra flutuações de temperatura e outras influências in-terferentes atuando simetricamente nos segmentos da fibra de laser disposta em ambos os lados do meio para acoplamento de modo.

Em uma outra concretização, o sensor tem um meio de dessintonização com o auxílio do qual a dessintonização mútua dos refletores de extremidades pode ser ajustada.Como um resultado, é possível adaptar a magnitude da dessintonização da medição, por um lado e, por outro lado, manter a dessintonização constante. A dessintonização dos refletores de extremidades é criada, de preferência, durante sua produção.

Outras concretizações preferidas podem ser obtidas das reivindicações dependentes e figuras.

Breve Descrição dos Desenhos No texto que segue, a matéria em questão da invenção é explicada em maiores detalhes com referência aos desenhos anexos, em que: A figura 1 mostra uma representação diagramática de um sensor de acordo com a invenção;

As figuras 2a, 2b mostram uma representação diagramática dos picos de reflexão dos refletores de extremidades de um sensor de acordo com a invenção, com estados óticos linearmente polarizados;

As figuras 3a - 3d mostram uma representação diagramática dos picos de reflexão dos refletores de extremidades de um sensor com estados óticos linearmente polarizados para 3a: refletores de extremidades não-dessintonizados e polarização de x; 3b: refletores de extremidades não-dessintonizados e polarização de y; 3c: refletores de extremidades não-dessintonizados e polarização de x; 3d: refletores de extremidades não-dessintonizados e polarização de y; A figura 4a mostra um espectro de transmissão de uma grade de fibra de Bragg medida (linha contínua) e calculada (linha tracejada); A figura 4b mostra o deslocamento de fase φ na reflexão na grade de fibra de Bragg da figura 4a na dependência do comprimento de onda λ, valores calculados (linha tracejada) e exemplificativos (triângulos, quadrados); A figura 5a mostra um espectro de freqüências dos modos longitudinais em polarização de x e para polarização de y para refletores de extremidades dessintonizados e não-dessintonizados, diagramaticamente; A figura 5b mostra um espectro de freqüências dos sinais de ba- timento de um sensor de acordo com a invenção com refletores de extremidades dessintonizados com base no espectro da figura 5a, diagramatica-mente; A figura 5c mostra um espectro de frequências dos modos longitudinais em modos de espaço de LP'oi e LP'n para refletores de extremidades dessintonizados e não-dessintonizados, diagramaticamente; A figura 5d mostra um espectro de freqüências dos sinais de batimento de um sensor de acordo com a invenção, com refletores de extremidades dessintonizados com base no espectro da figura 5c, diagramaticamente; A figura 6 mostra o espaçamento de freqüências δνΡΜΒ dos sinais de PMB de acordo com a invenção de uma dada ordem, na dependência da dessintonização dos refletores de extremidades, medido e calculado; A figura 7 mostra um espectro de freqüências medido de sinais de batimento de um sensor com medições de seção detalhada de sinais de PMB para dessintonizações mútuas de magnitude diferente dos refletores de extremidades.

Os símbolos de referência usados nos desenhos e seus significados estão relacionados em resumo na relação de designações de referência. Em princípio, partes idênticas são dotadas de símbolos de referência idênticos nas figuras.

Abordagens para Realização da Invenção A figura 1 mostra diagramaticamente um sensor de acordo com a invenção para medição de uma quantidade a ser medida M. Além de um laser de fibra 1, o sensor compreende um laser de bombeamento como fonte de luz de bombeamento 2 para o laser de fibra 1 e uma unidade de detecção/ avaliação 3. Um acoplador de fibras 4 conecta o laser de fibra 1 a esses dois componentes 2, 3 através de fibras de ligação. Entre o acoplador de fibras 4 e a unidade de detecção/ avaliação 3, um isolador ótico é interposto, também, vantajosamente. No texto que segue, apenas detalhes do laser de fibra 1 são discutidos essencialmente. Detalhes a cerca dos outros componentes do sensor e a cerca da interação entre os vários componentes do sensor podem ser encontrados na técnica anterior relevante, em particular, na EP 106 03 72, citada inicialmente. Por essa razão, esta última e todo o seu conteúdo divulgado são aceitos na descrição. O laser de fibra 1 é produzido de uma fibra ótica Er3* -dopada com seção transversal de núcleo elíptica. Nessa fibra de laser, uma primeira grade de fibra de Braggs (FBG) e uma segunda FBG são inscritas holografi-camente. A primeira FBG representa um primeiro refletor de extremidade 11 do laser de fibra 1 e a segunda FBG representa um segundo refletor de extremidade 12. Por causa de sua seção transversal de núcleo elíptica, as duas figuras 11, 12 são birrefringentes com relação à polarização linear e construídas similarmente à parte de uma dessintonização mútua. No centro entre as duas FBGs 11, 12, a fibra de laser é cortada e unida mais uma vez girada por 90°. Como um resultado, há uma união de 90° 15 no centro entre as duas FBGs 11, 12. Essa união é usada como meio para acoplamento de modo 15. Os eixos geométricos das FBGs 11, 12 são, assim, também girados por 90° com relação um ao outro. Toda a fibra de laser disposta entre as FBGs 11,12 é usada como fibra de amplificação de laser 13. O segmento de fibra 14 entre a junção de 90° 15 e a segunda FBG 12 pode ser exposto total ou parcialmente à quantidade a ser medida M e é, assim, usado como fibra sensora 14.

Os eixos geométricos de espaços x, y, z são esquematizados na figura 1, onde z está alinhado ao longo do eixo geométrico de fibra. Para a primeira FBG 11, o eixo geométrico lento (longo) s é paralelo a y. E o eixo geométrico rápido (curto) f está ao longo de x.Para a segunda FBG 12, as condições são invertidas por causa da junção de 90° 15: o eixo geométrico lento (longo) s é alinhado ao longo de x, enquanto o eixo geométrico rápido (curto) f se estende ao longo de y. Essas condições são esboçadas na figura 1.

Nas figuras 2a e 2b, as refletividades R-ι, R2 dos refletores de extremidades 11, 12 são representadas diagramaticamente. A figura 2a mostra a refletividade Ri da primeira FBG 11. Devido à birrefringência da FBG 11, há um pico de reflexão, em um comprimento de onda mais curto λβ/Β<31 para luz polarizada ao longo do eixo geométrico rápido f do que para luz polarizada ao longo do eixo geométrico lento s. A separação de comprimento de onda AXbirref entre os dois comprimentos de onda de pico de reflexão (comprimentos de onda de Bragg) é Al _ 1 FBG1 T, FBG1 tiAbiref — AB)f ~ A.B(S

As condições para a segunda FBG 12 são mostradas na figura 2b. Como já discutido na figura 1, a correlação entre os eixos geométricos de fibras s, f e os eixos geométricos de espaços x, y para a segunda FBG 12 é exatamente inversa da primeira FBG 11. Uma vez que na presente concretização exemplificativa as duas FBGs 11, 12 são construídas identicamente à parte de uma dessintonização mútua, os picos de reflexão não estão localizados nos mesmos comprimentos de onda (λβ/831 * λΒ/832 e λΒ/831 * λΒ/832), mas os picos de reflexão para a segunda FBG 12 e, assim os comprimentos de onda de Bragg, são separados pelas mesmas \\ . _ \ FBG 2 \ FBG2 A dessintonização mútua das FBGs 11 e 12 é explicada com referência às figuras 3a - d. As figuras 3a e 3b mostram, em primeiro lugar, o caso conhecido da técnica anterior, onde as duas FBGs 11,12 têm os mesmos comprimentos de onda de Bragg equivalentes. A diferença no comprimento de onda de Bragg Δλ é, assim: ΔλΒ = XB,fFBG2 - λΒ,£ΡΒαι = λΒ,3ΡΒ°2 - λΒ,/Βσ1 = 0. A figura 3a mostra a refletividade das FBGs 11,12 para luz polarizada linearmente ao longo do eixo geométrico de x. A figura 3b mostra a refletividade das FBGs 11, 12 para luz polarizada linearmente ao longo do eixo de y. No comprimento de onda identificado pelos pontos espessos e linha tracejada, o produto da refletividade das duas FBGs 11, 12 é máximo e, assim, as perdas do ressonador são mínimas, de modo que o laser oscila nesse comprimento de onda. Devido à similaridade de FBGs 11, 12 e a similaridade dos picos de reflexão para as duas polarizações x, y, o laser de fibra 1 oscila no mesmo comprimento de onda para polarização de x e de y. AS figuras 3c e 3d mostram o caso de acordo com a invenção onde o comprimento de onda de Bragg da primeira FBG 11 difere do comprimento de onda de Bragg da segunda FBG 12, isto é, ΔλΒ = abs (λΒ,fFBG2 - Xa.f™01) = abs(XB(SFBG2 - XB(SFBG1) Φ 0.

Os picos de reflexão das duas FBGs 11,12 para luz polarizada x são separados ainda mais do que os picos de reflexão das duas FBGs 11, 12 para luz polarizada y neste caso. Contudo, os comprimentos de onda em que o laser de fibra 1 está oscilando são ainda idênticos para polarização de x e para y (linha tracejada, pontos em negrito).

As figuras 4a e 4b ilustram por que isso pode levar à dispersões diferentes e deslocamentos de fase diferentes φ na reflexão nas FBGS para luz polarizada de x- e y-. A figura 4a mostra a curva de transmissão normalizada T para uma FBG; T = 1 - R. O espectro medido experimentalmente é mostrado pela linha contínua; o espectro calculado é mostrado tracejado. O eixo geométrico de comprimento de onda (fundo) é zerado no comprimento de onda de Bragg λΒ, ou mais precisamente: no comprimento de onda central do pico de reflexão significativo em cada caso. A figura 4b mostra a dependência do deslocamento de fase (relativo) φ em comprimentos de onda na reflexão na FBG da figura 4a. O deslocamento de fase φ é dado em relação ao deslocamento de fase no concretização de Bragg λΒ. A linha tracejada moldada em S é uma curva calculada. Os valores de φ que ocorrem para ΔλΒ = 0 e para ΔλΒ = 50 pm no laser de fibra 1 são identificados por quadrados e triângulos, respectivamente, como exemplos.

Para FBGs 11, 12 que não são dessintonizadas (ΔλΒ = 0), os comprimentos de onda em que o laser de fibra 1 está oscilando são igualmente distantes do ponto zero do comprimento de onda relativo λ - λΒ para polarização de x e y (quadrados pequenos). Como um exemplo, AA*irref = 60 pm foi selecionado. Isso também pode ser visto na representação diagramá-tica das figuras 3a e 3b. O caso de acordo com a invenção onde as FBGs 11, 12 são mutuamente dessintonizadas é representado pelos triângulos pequenos. ΔλΒ = 50 pm foi selecionado. Os comprimentos de onda em que o laser de fibra 1 está oscilando são separados por quantidades diferentes do ponto zero do comprimento de onda relativo λ - λβ para luz polarizada de x-e y- (triângulos pequenos). Isso também pode ser visto na representação diagramática das figuras 3c e 3d. Os comprimentos de onda em que o laser de fibra 1 está oscilando são sempre: Devido às diferentes inclinações da curva φ (λ - λβ) para polarização de x e de y, separações de freqüências vxLMB, vyLMB de magnitude diferente entre modos longitudinais adjacentes são obtidas, como será mostrado abaixo, para polarização de x e de y em um dispositivo de acordo com a invenção (veja também a figura 5a). As condições de ressonância no laser de fibra 1 podem ser escritas como segue para polarização de x: e analogamente para polarização de y: onde: p é um número inteiro; ordem dos modos longitudinais na polarização de x; q é um número inteiro; ordem dos modos longitudinais na polarização de y; (pSlf é um deslocamento de fase na reflexão na FBG para luz em polarização de s, f; vxp é uma freqüência de modo longitudinal x-polarizado de ordem p; vyq é uma freqüência de modo longitudinal y-polarizado de ordem q; nSi f é um índice eficaz de refração da fibra de laser para polarização de s, f;

Li, 2 é um comprimento geométrico do segmento de fibra de Ia- ser entre a junção de 90° e as primeira, segunda FBGs c é uma velocidade de luz em um vácuo.

Os efeitos da dispersão (para o índice de refração) na fibra de laser são desprezívelmente pequenos e, portanto, não são citados nas equações acima para as condições de ressonância.

Em primeiro lugar, o caso conhecido da técnica anterior. Se as duas FBGs 11,12 têm o mesmo comprimento de onda de Bragg, isto é, ΔλΒ = 0 e, se, além disso, os dois segmentos de fibra de laser são de igual comprimento, isto é, Li = l_2, a separação de freqüências vxLMB entre modos longitudinais adjacentes LMXP, LMXP+1 para polarização de x é igual à separação de freqüências vyLMB entre modos longitudinais adjacentes LMyq, LMyq+i para polarização de y: VxLMB = vxp+1 - vxp = vyq+1 - vyq = Vy^B

Os sinais dos batimentos de modos longitudinais (LMB) são, assim, idênticos para ambas as polarizações x, y. Os sinais dos batimentos de modos longitudinais (PMB) estão em freqüências vPMB = abs (vxp - vyq) e são degenerados para cada ordem p - q neste caso.

Na figura 5a, as linhas contínuas ilustram diagramaticamente essas relações de freqüências. Na prática, naturalmente, a degeneração dos sinais individuais de PMB de uma dada ordem nunca é perfeita porque há sempre assimetrias inevitáveis, por exemplo, das FBGs e outros efeitos, tais como "arrasto da freqüência". Isso leva a um alargamento indesejável dos sinais detectados de PMB e a uma resolução de sensor correspondentemente pobre. Em particular, a diferença vxLMB - vyLMB das freqüências de LMB para polarização de x e y pode alcançar a faixa de alguns quilohertz, se os dois segmentos de fibra de laser não são de comprimento igual, isto é, L-ι φ L2. Contudo, isso também leva a uma medição imprecisa. A figura 5a também mostra o caso de acordo com a invenção onde as FBGs 11,12 são dessintonizadas com relação uma à outra: ΔλΒ φ 0 (linhas tracejadas). As figuras 3c e 3d mostram que o laser oscila para polarização de x e y em freqüências que estão em diferentes localizações na curva φ(λ - λβ). Como será explicado ainda abaixo, as inclinações da curva φ(λ - λΒ) são, portanto, de magnitude diferente para polarização de x e y, de modo que as freqüências distintamente diferentes vxLMB, vyLMB entre modos longitudinais adjacentes LMXP, LMxp+i; LMyq, LMyq+1 são obtidos para as duas polarizações x, y. Isso resulta em um cancelamento claro da degeneração dos sinais de PMB para cada ordem p - q. A figura 5B mostra, diagramaticamente, um espectro de freqüências até o sinal de LMB de primeira ordem, como obtido para o caso de acordo com a invenção Δλβ * 0 da figura 5a. O sinal de primeira ordem LMB é composto de dois picos: um primeiro pico em vxLMB, que é obtido da interferência entre modos x-polarizados LMXP+1 e LMXP para ordens diferentes p; e um segundo pico em vyLMB, que é obtido da interferência entre modos longitudinais adjacentes x-poralizado LMXP com exatamente um modo longitudinal y-polarizados LMyq+i e LMyq para diferentes ordens q. A degeneração dos sinais de PMB de uma dada ordem é cancelada de modo que é tornado possível detectar esses picos de PMB separadamente (individualmente). Esse sinal individual de PMB é obtido pela interferência exatamente de um modo longitudinal y- polarizado LMxq. Os sinais individuais de PMB pertencentes a uma dada ordem p - q são espaçados uniformemente em frequência para uma primeira aproximação com uma separação de freqüências de ôvpmb, onde ôvpmb é dado como δνΡΜΒ = abs (vxLMB - vyLMB). ôvpmb é, tipicamente, uns poucos 10 kHz a diversos 100 kHz.

No caso de Li = L2, ôvpmb é dado em uma boa aproximação como onde Avbirref = (c/λ2). AÀbin-ef é a freqüência correspondente a Avbir-ref e Avb = (c/λ2). Δλβ é a freqüência correspondente a ΔλΒ. n é o índice médio eficaz de refração da fibra de laser n = (n2+nf) /2, e L = Li + L2 é o com- primento total da fibra de laser. De acordo com a equação, 5vPMb é proporcional à diferença da primeira derivada do deslocamento de fase φ com relação à freqüência em freqüências que são diferentes da freqüência vb correspondente ao comprimento de onda de Bragg λβ por 1/2 (Avbm-ef + Avb) e por 1/2 (Avbirret - Avb), respectiva mente. Compare também a posição dos picos na figura 4b, identificados pelos triângulos. A primeira derivada do deslocamento de fase φ(ν) com relação à freqüência v é aqui chamada a dispersão θφΐθν do deslocamento de fase φ.

Na derivação da equação, foi suposto que a dependência de fre-' qüência do deslocamento de fase φ(ν) é simétrico em pontos com relação a (v=vb; φ=0) e que φ(ν) pode ser aproximado com boa linearidade em uma faixa de freqüências pequena perto das freqüências em que o laser de fibra 1 está oscilando. Uma vez que a dependência de freqüências do deslocamento de fase φ é em geral não-linear, os dois termos de derivadas que > ocorrem na equação nunca são exatamente iguais, de modo que uma separação de freqüências não-desvanecente 5vPMb sempre pode ser obtida para Δλβ Ψ- 0.

No caso onde os comprimentos de curso ótico entre os meios para acoplamento de modo 15 e o primeiro refletor de extremidade 11 e en-i tre os meios para o acoplamento de modos 15 e o segundo refletor de extremidade 12, respectivamente, são diferentes, uma outra contribuição é adicionada à separação entre os sinais individuais de PMB de uma dada ordem. Contudo, essa contribuição é tipicamente menos do que cerca de 10 kHz e, portanto, não será aqui considerada, i Levando em consideração também a segunda derivada do des- locamento de fase φ, é verificado que as separações de modo longitudinal vxLMB, vyLMB não são exatamente iguais para cada um dos estados óticos x, y, mas mudam ligeiramente com o número ordinal p e q, respectivamente. Cada linha dos sinais de batimento PMB, LMB mostrados na figura 5b, por-I tanto, tem divisão fina (não-mostrada) e as separações de freqüência ôvPmb entre sinais adjacentes de PMB de uma dada ordem não são todas exatamente iguais. Uma vez que essa divisão fina é pequena, essa situação será aqui desprezada.

No caso onde os dois refletores de extremidades 11,12 têm dispersões diferentes ^φ^ lõv, 5φ2lõv, é verificado para ôvpmb em boa aproximação que δνρΜΒ é proporcional à diferença entre dois termos, analogamente à equação acima. Cada um desses termos é para uma das duas polarizações ortogonais x,y, a soma da dispersão 5φι lõv para reflexão no primeiro refletor de extremidade 11 e da dispersão δφ2/δν para reflexão no segundo refletor de extremidade 12, em cada caso nas freqüências relevantes, em que o laser de fibra 1 está oscilando. Se, assim, os refletores de extremidades 11,12 i são construídos de tal maneira que a dispersão õcpi lõv do deslocamento de fase φ em reflexão no primeiro refletor de extremidade 11 mais a dispersão õcp2/dv do deslocamento de fase φ na reflexão no segundo refletor de extremidade 12 é maior para um dos dois estados óticos x, y do que para o outro, então, δνρΜΒ ^ Οι A invenção pode ser realizada não só com estados óticos que são ortogonais um ao outro devido à sua polarização. Também é possível trabalhar com estados óticos que são ortogonais um ao outro devido à sua estrutura de espaço transversal. O termo "ortogonal" deve ser, assim, considerado não como retangular no sentido de 90°, mas é usado no sentido i matemático: para funções básicas mutuamente ortogonais ou estados óticos dos quais um estado ótico arbitrário do tipo correspondente, por exemplo, um estado ótico com uma estrutura de espaço transversal, pode ser representado por combinação linear. Os modos LPmn podem ser usados, portanto. Embora sejam apenas uma aproximação (boa) para descrever a estrutura de i espaço transversal, também são ortogonais um ao outro em uma boa aproximação. Por exemplo, os modos de espaço transversal LP01 e LPneven podem ser usados em lugar dos modos polarizados linearmente ao longo de s ou f sempre discutidos acima. Em lugar de uma junção 15 girada por 90°, uma junção de fibra 15, que é deslocada lateralmente é, então, de preferên-i cia, usada como um meio para acoplamento de modos 15. O meio para acoplamento de modos 15 muda luz no estado de LP01 para luz no estado de LPneven. A junção 15 deslocada lateralmente e também a junção 15 de 90° são construídas vantajosamente de tal maneira que o acoplamento dos dois estados óticos ortogonais é tão completo quanto possível, maior do que 60% ou maior do que 80%.

Uma vez que, da literatura, para os modos de espaço transver-i sal, nenhuma designação análoga aos eixos geométricos espaciais x,y é conhecida, a qual podería ser aplicada em ambos os lados do meio para acoplamento de modos 15, símbolos de referência LP’0i e LP,neven são introduzidos para essa finalidade: LP’0i identifica o estado do campo luminoso que oscila no modo de espaço LP0i entre o primeiro refletor de extremidade l 11 e o meio para acoplamento de modo 15 e no modo de espaço LPneven entre o segundo refletor de extremidade 11 e o meio para acoplamento de modo 15. LP’neven (ou, resumidamente, LP'n) identifica o estado do campo luminoso que oscila no modo de espaço LPneven entre o primeiro refletor de extremidade 11 e o meio para acoplamento de modo 15 e oscila no modo de i espaço LP01 entre o segundo refletor de extremidade 11 e o meio para acoplamento de modo 15.

As Figuras 5c e 5d mostram os espectros de freqüências dos modos longitudinais e dos sinais de batimentos para LP'0i e LP'neven como estados óticos ortogonais bem analogamente às figuras 5a e 5b. Para maior ► clareza, índices abreviados são usados: "01" para LP'oi e "11" para LP'neven. Os sinais de batimentos entre modos longitudinais LM01P e LM11q de estrutura de espaço transversal diferente LP'0i e LP"neven, detectados no sensor, são chamados batimentos de modo transversal (TMB), analogamente aos sinais de PMB detectados no sensor no caso da polarização linear, i Na figura 6, a linha contínua mostra uma dependência calculada em ΔλΒ da divisão de freqüências δνΡΜΒ. Os pontos dotados de barras de erro são valores determinados experimentalmente. Desse modo, uma separação de freqüências desejada ôvPmb adequada para uma medição a ser realizada pode ser selecionada por escolha adequada de dessintonização I mútua das FBGs 11, 12. A separação de freqüências ôvPmb pode ser selecionada para ser de tal magnitude que não haja sobreposição dos vários sinais de PMB de uma dada ordem e que os sinais individuais PMB possam ser correlacionados de modo não-ambíguo. Naturalmente, a resolução de freqüência da unidade de detecção/ avaliação 3 deve ser maior do que a separação de freqüências ôvPMb· A figura 7 mostra um espectro de freqüências, medido por meio de um sensor de acordo com a invenção, operando com polarização linear, até o sinal de LMB de primeira ordem, que está em tomo de 2670 MHz. Os dois sinais de PMB medidos podem ser vistos em cerca de 15 MHz e em cerca de 245 MHz. O espectro pode ser comparado com a representação diagramática da figura 5b, onde, porém, cinco modos longitudinais oscilam por modo de polarização linear x, y na figura 5b, em lugar de quatro, na figura 7. No espectro detalhado na faixa em tomo de 15 MHz, medido com uma resolução de freqüência maior, o cancelamento da degeneração dos sinais individuais de PMB devido à dessintonização mútua das FBGs 11, 12 pode ser visto claramente. O sinal de PMB perto de 15 MHz foi medido e mostrado para cinco valores diferentes de ΔλΒ entre 40 pm e -63 pm. A separação δνΡΜΒ entre sinais de PMB adjacentes de uma dada ordem muda claramente com ΔλΒ, como já mostrado na figura 6. O desvanecimento não-perfeito de δνΡΜΒ em ΔλΒ = 0 é atribuível, predominantemente, ao fato de que a estrutura experimental era altamente assimétrica: Li = 5 cm e L2 = 35 cm. O comprimento de onda de Bragg λΒ de uma FBG muda com a temperatura. Para estabelecer as várias dessintonizações ΔλΒ, dois fomos tubulares mutuamente independentes foram usados, portanto, os quais, em cada caso, circundavam uma das duas FBGs 11, 12. Foi possível, individualmente, selecionar e manter a temperatura de cada uma das duas FBGs 11,12 por meio desses fornos tubulares usados como um meio de dessintonização.

Para medir a quantidade a ser medida M, a fibra sensora 14 é exposta à influência dessa quantidade a ser medida M, por exemplo, uma pressão hidrostática em um furo de poço de petróleo. Na figura 1, isso é representado pelas setas grossas em M. Devido à interação da quantidade a ser medida M com a fibra sensora 14, a birrefringência muda para as duas polarizações x,y;s,f, na fibra sensora 14. O sensor, vantajosamente, é ajustado de tal maneira que ele tem birrefringência global desvanecente, quando a variável medida M (M=0) desvanece. Isso significa que os sinais de PMB coincidem aproximadamente com os sinais de LMB em M=0. Devido à des-i sintonização mútua das FBGs, um dos diversos sinais separados de PMB pode, então, ser detectado perto de 0 Hz, em lugar de um sinal de PMB amplo, consistindo em um número de sinais de PMB virtualmente degenerados da mesma ordem por meio da unidade de detecção/ avaliação 3. Por razões de redundância um número dos sinais separados de PMB também podem I ser detectados e avaliados, vantajosamente, para aperfeiçoamento adicional da resolução. Se, então, a birrefringência da fibra sensora 14 for mudada pela pressão a ser medida, o sinal individual de PMB detectado aumentará sua freqüência proporcional à mudança de pressão. Uma vez que há outro sinal de PMB, como também pode ser visto das figuras 5b e 5d, o que reduz i analogamente sua freqüência, aproximadamente, de modo proporcional à mudança de pressão de cerca de νχ1^8 ou vy1^8 em M=0, esses dois sinais de PMB coincidirão à medida que a pressão aumenta ainda mais, a saber em cerca de vxLMB / 2 ou vyLMB / 2. Isso resulta em uma pressão máxima que pode ser medida de modo não-ambíguo por meio do sensor. ) Comparada com sensores com lasers de Fabry-Perot conheci- dos, a resolução de um sensor de acordo com a invenção é aperfeiçoada, consideravelmente. A resolução que pode ser obtida de acordo com a invenção é comparável à resolução de sensores com lasers DFB, que têm apenas um modo longitudinal para cada um dos dois estados óticos ortogonais. > Também é vantajoso na alta resolução ou no sinal estreito a ser detectado que uma unidade de detecção/ avaliação 3 de custo mais eficaz possa ser usada para obter a mesma resolução de um sensor conhecido da técnica anterior.

Uma outra vantagem de um sensor de acordo com a invenção, ) em particular comparado com sensores com lasers de DFB, pode ser vista no fato de que para obtenção da mesma amplificação de lasers, apenas uma quantidade menor de dopante da fibra de amplificação de laser 13 é neces- séria porque o comprimento da fibra de amplificação de laser 13 pode ser selecionado para ser longo. Em particular, efeitos de agrupamento, que podem ocorrer com altas quantidades de dopante, podem ser evitados por esse meio. Um comprimento de cavidade e um comprimento de fibra senso-i ra, que podem ser selecionados para serem grandes, também é vantajoso, se a localização exata da ocorrência da quantidade a ser medida M não for previsível.

Dimensões e ordens de magnitude típicas para uma concretização exemplificativa de um sensor de acordo com a invenção são, por exem-l pio: - comprimento de onda de bombeamento: 980 nm - potência de bombeamento: 50 mW, de acordo com um múltiplo do limite de laser - junção de 90° estabelecida em ± 5o, ou melhor ± 2o i - concentração de Er3* da fibra de amplificação de laser 13: 5000 ppm (peso) - comprimento dos eixos geométricos maiores do núcleo da fibra de laser: 3 μιτι e 15 μίτι - diferença nos índices de refração de núcleo e revestimento da l fibra de laser: 0,011 - comprimento da fibra de laser: 40 cm - birrefringência da fibra de laser e das FBGs 11,12: 5,7x10'5 - sensitividade de temperatura da fibra de laser: 119 mrad/°C/m - sensitividade de pressão do sensor de pressão, quando 20 cm i da fibra sensora 14 são expostos à pressão: 2,15 Hz/Pa - sensitividade de pressão da fibra de laser: 119 mrad/°C/m - pressão máxima mensurável de modo não-ambíguo: 60 MPa - largura de linha de um sinal individual de PMB detectado: < 1 kHz I - separação de freqüências ÔvPMb de sinais individuais de PMB adjacentes: 130 kHz em Δλβ=40 pm e 210 kHz em ΔλΒ=-63 pm - comprimento de onda Bragg das FBGs 11,12: λβ«1535 nm - diferença entre os comprimentos de onda de Bragg das FBGs 11,12 para uma polarização de s e f = 60 pm - resolução obtida: 4x 10'6 FSR, correspondendo a 465 Pa, correspondendo a 7,7x10"6 da pressão máxima mensurável de modo não-ambíguo.

As características alternativas ou adicionais relacionadas acima e no texto que segue são opcionais e podem ser combinadas de qualquer maneira umas com as outras e com as concretizações exemplificativas representadas na descrição. i Em lugar de um laser de fibra 1, outro tipo de laser também pode ser usado. Em lugar de uma fibra sensora 14 com seção transversal de núcleo elíptica, outra, de preferência, fibras de manutenção de polarização, tais como, por exemplo, fibras "panda", fibras tipo "bow tie" também podem ser usadas. A fibra sensora 14 também pode ter um núcleo redondo e uma se-i ção transversal não-rotacionalmente simétrica do revestimento da fibra, por exemplo, fibras tipo orifício lateral ("side-hole fiber"), fibras em forma de D. Para converter forças isotrópicas em forças anisotrópicas, que então causam uma mudança na birrefringência na fibra sensora 14 em interação com a quantidade a ser medida M, transdutores também podem ser usados. A fibra l sensora 14 podem interagir, total ou parcialmente, com a quantidade a ser medida Μ. A fibra sensora 14 pode diferir da fibra de amplificação de laser 13, pode ser uma parte da fibra de amplificação de laser 13 ou pode ser idêntica à fibra de amplificação de laser 13.

Como a fibra de amplificação de laser 13, uma fibra com um nú-i cleo não-rotacionalmente simétrico ou também uma fibra com uma seção transversal de núcleo redondo pode ser usada. Em lugar de dopante Er3*, um dopante Nd+ ou outro meio para amplificação de laser também pode ser usado.

Além da fibra sensora 14 e da fibra de amplificação de laser 13, ) o laser de fibra 1 também pode conter outros segmentos de fibras, particularmente uma ou mais seções intermediárias de fibras dispostas, de preferência, entre a fibra sensora 14 e a fibra de amplificação de laser 13. Uma disposição e a concretização das fibras 13, 14, conforme proporcionado na concretização exemplificativa descrita em conjunto com a figura 1, são particularmente vantajosas.

Se o sensor for operado com estados de polarização ortogonal x,y esses têm, de preferência, a mesma estrutura de espaço transversal, de preferência, LP01. O sensor também pode ser operado com modos de espaço transversais ortogonais, por exemplo, com LP0i e LP11ewen, em lugar de com modo ortogonais da polarização linear. Isso já foi discutido em conjunto com as figuras 5c e 5d. De preferência, dois modos de espaço ortogonais, tendo a mesma polarização linear x ou y, são selecionados. Devido à discussão detalhada acima da concretização exemplificativa operando com polarização linear, os peritos saberão claramente que medidas têm que tomar para implementar um sensor operando com modos de espaço transversais. Em particular, fibras com seção transversal de núcleo elíptica são usadas, de preferência, para as fibras a laser e uma junção de fibras 15 deslocada lateralmente é, então, usada vantajosamente, como um meio para acoplamento de modo 15. Refletores de extremidades preferidos 11,12 são grades de fibras de Bragg, também neste caso. A quantidade a ser medida M, através de interação com a fibra sensora 14, cria uma mudança na birre-fringência para os dois estados óticos que são ortogonais um ao outro devido a sua estrutura de espaço transversal. Em um sensor de acordo com a invenção, estados óticos também podem ser usados, os quais são ortogonais um ao outro, devido ao seu estado de polarização e devido a sua estrutura de espaço transversal. Por exemplo, LPx0i e LPy1ieven ou LPxneven Lpyii°dd ymg junção de 90°, que é deslocada lateralmente é, então, usada como o meio para acoplamento de modo. A luz no laser de fibra 1, vantajosamente, oscila em, exatamente, dois estados óticos mutuamente ortogonais, isso quer dizer que há apenas exatamente dois campos de onda permanentes no laser de fibra 1. Contudo, também é possível que a luz possa oscilar em mais de dois estados óticos ortogonais no laser de fibra 1, por exemplo, LP0i, LPneven e Lpn0^.

As FBGs 11, 12 são incorporadas, de preferência, em fibras bir- refringentes, por exemplo, em fibras com núcleo elíptico, fibras tipo "bow tie" ou fibras "panda" Contudo, também é possível usar para essa finalidade fibras que não são birrefringentes intrinsicamente, uma birrefringência das FBGs, então, de preferência, sendo gerada pelo processo de inscrição em ■ grade ou por um dispositivo adicional. O dispositivo adicional é, então, usado para gerar uma tensão mecânica permanente na FBG. O segmento de fibra em que as FBGs 11,12 podem ser incorporadas são a fibra de amplificação de laser 13, a fibra sensora 14 ou outros, de preferência, segmentos de fibra não-dopados da fibra de laser (seções de fibras intermediárias) que são uni-I das na fibra de amplificação de laser 13, na fibra sensora 14 ou na outra seção de fibra intermediária. As FBGs 11, 12 são inscritas, holograficamente, de modo vantajoso na fibra de laser. Contudo, elas também podem ser produzidas por outros meios, por exemplo, através de gravação ou por um método mecânico. É muito vantajoso se ambas as FBGs 11, 12 são birrefrin-i gentes, mas é adequado se um dos refletores de extremidades 11, 12 for birrefringente. A birrefringência dos refletores de extremidades 11, 12 também pode ser chamada refletividade seletiva de modo dos refletores de extremidades 11, 12 por que refletividade de uma FBG birrefringente depende do estado ótico (polarização, estrutura de espaço transversal). Em lugar das ) FBGs 11, 12, outros tipos de refletores de extremidades 11,12 com reflexão seletiva de comprimento de onda também podem ser usados, por exemplo, espelhos dielétricos, espelhos com um filtro de cor ou também cristais fotô-nicos são concebíveis. Duas FBGs 11, 12 de tipos diferentes de construção ou uma combinação de uma FBG com outro tipo de refletor de extremidade > também podem ser usadas.

Refletividade seletiva de comprimento de onda dos refletores de extremidades 11, 12 significa aqui que os espectros de reflexão dos refletores de extremidades 11, 12 têm um ou mais picos (máximos), dependendo do comprimento de onda. Ou: que um dos refletores de extremidades 11, 12 ) não tem uma refletividade constante (quase) na faixa de comprimento de onda em que o outro refletor de extremidade 12,11 tem uma alta refletividade ou tem um pico no espectro de reflexão. Também é possível falar de uma refletividade espectral de banda estreita dos refletores de extremidades 11, 12. Também é possível ter um número de picos de reflexão dos refletores de extremidades em comprimentos de onda diferentes. É vantajosos se um dos refletores de extremidades 11, 12 for dessintonizado por menos do que a soma das larguras dos picos de reflexão dos dois refletores de extremidades 11, 12 e, em particular, por menos do que a metade e, de preferência, menos do que um quarto da soma das larguras dos picos de reflexão dos dois refletores de extremidades 11, 12 com relação ao outro refletor de extremidade 12, 11. A FWHM de um pico de re-lexão é tomada como uma medida de sua largura. No caso de um refletor de extremidade 11, 12 birrefringente, essa é a FWHM do pico de reflexão para uma das polarizações x,y. Se a largura dos picos de reflexão for maior para um polarização x,y do que a largura para outra polarização y,x, o valor médio dessas larguras pode ser tomado. A dessintonização mútua dos refletores de extremidades 11, 12 significa que o valor médio dos comprimentos de onda centrais dos picos de reflexão do primeiro refletor de extremidade 11 para os dois estados óticos ortogonais x,y; LP01, LPn®7®" difere do valor médio dos comprimentos de onda centrais dos picos de reflexão do segundo refletor de extremidade 12 para os dois estados óticos ortogonais x,y; LP0i, LPneven. Se um dos refletores de extremidades 11, 12 não for birrefringente, o valor médio deve ser substituído pelo comprimento de onda central de um pico de reflexão. No caso de grades de fibras de Bragg birrefringentes 11, 12, o seguinte se aplica: ΔλΒ = aB,fFBG1 + λΒ,SFBG1> /2 - aB,fFBG2 + xb,sfb62)/2.

Para FBGs 11, 12 não-birrefringentes, λΒ = XB,f = XB,S. Naturalmente, no caso onde pelo menos um dos refletores de extremidades 11, 12 tem um número de picos de reflexão, esse pico de reflexão que contém pelo menos um dos comprimentos de onda em que o laser de fibra 1 está oscilando é sempre significativo. Devido ao fato de que a luz pode se propagar em dois estados óticos mutuamente ortogonais no laser de fibra 1, há, auto- maticamente um limite superior para a dessintonização mútua dos refletores de extremidades 11, 12. Veja também a figura 3c a esse respeito: acima de uma dessintonização mútua grande demais, os picos de reflexão para polarização de x se sobreporão apenas por uma pequena quantidade de modo ' que as perdas são tão grandes que o laser de fibra 1 não mais oscila com luz x-polarizada. O valor ΔλΒ da dessintonização é selecionado, vantajosamente, durante a produção dos refletores de extremidades 11, 12. Também é possível fazer ΔλΒ variavelmente ajustável por meio do mecanismo de dessintoni-i zação. Além da temperatura mencionada acima, por exemplo, uma tensão mecânica ajustável (força de tensão ou compressão), atuando sobre pelo menos um dos refletores de extremidades 11,12, também pode ser exercida pelo mecanismo de dessintonização para ajustar ΔλΒ.

Na prática, um sensor de acordo com a invenção pode ser usado para medir qualquer quantidade física a ser medida M. Apenas precisa ser possível produzir uma mudança na birrefringência na fibra sensora 14 por meio de uma mudança na quantidade a ser medida M. Exemplos da quantidade a ser medida M são: pressões, particularmente, também pressões hi-drostáticas, tensões mecânicas (atuando axial ou radialmente sobre a fibra sensora 14), temperaturas, quantidades eletromagnéticas, por exemplo, através do uso de um revestimento piezoelétrico, eletrorrestritivo ou magne-tostritivo para a fibra sensora 14.

As características acima podem ser vantajosas em conjunto ou mesmo individualmente ou em qualquer combinação.

Relação de designações de referência 1 laser de fibra 11 primeiro refletor de extremidade; primeira FBG

12 segundo refletor de extremidade; segunda FBG 13 fibra de amplificação de laser 14 fibra sensora 15 meio para acoplamento de modo; junção de 90°; junção deslocada lateralmente 2 fonte de luz de bombeamento; laser de bombeamento 3 unidade de detecção/ avaliação 4 acoplador de fibra 5 isolador ótico c velocidade da luz em um vácuo f eixo geométrico rápido FBG grade de fibras de Bragg FSR faixa espectral livre FWHM largura completa na metade máxima L comprimento de cavidade do laser, L=l_i+I_2 Li comprimento do segmento de fibra de laser entre o primeiro re- fletor de extremidade e o meio para acoplamento de modo l_2 comprimento do segmento de fibra de laser entre o segundo re- fletor de extremidade e o meio para acoplamento de modo LMXP modo longitudinal de ordem p em polarização de x LMyq modo longitudinal de ordem q em polarização de y LM01P modo longitudinal de ordem p em modo de espaço transversal LP0i LM11P modo longitudinal de ordem q em modo de espaço transversal LPneven LMB batimento de modo longitudinal LP01 modo de espaço transversal de ordem zero (modo básico) Lp^even mocjo de espaço transversal de primeira ordem M quantidade a ser medida n índice efetivo de refração p número inteiro; ordem dos modos longitudinais na polarização de x PMB batimento de modo de polarização q número inteiro; ordem dos modos longitudinais na polarização i dey R refletividade de uma grade de fibras de Bragg Rx refletividade de uma grade de fibras de Bragg para polarização dex Ry refletividade de uma grade de fibras de Bragg para polarização i dey s eixo geométrico lento T transmissão de uma grade de fibras de Bragg (normalizada); T = 1-R TMB batimento de modo de espaço transversal » x eixo geométrico de coordenadas; eixo geométrico de uma pola- rização linear y eixo geométrico de coordenadas; eixo geométrico de uma pola- rização linear z eixo geométrico de coordenadas; eixo geométrico de fibras l cp deslocamento de fase (relativo) na reflexão õ<p/õv dispersão do deslocamento de fase φ λ comprimento de onda λβ comprimento de onda de Bragg; comprimento de onda de um > pico de reflexão de uma grade de fibras de Bragg Xb,s comprimento de onda de Bragg para luz com polarização linear paralela ao eixo geométrico lento λΒ,ί comprimento de onda de Bragg para luz com polarização linear paralela ao eixo geométrico rápido ) Δλβ diferença entre os comprimentos de onda de Bragg das duas FBGs; dessintonização mútua dos refletores de extremidades AXbirref diferença de comprimento de onda entre os picos de reflexão (comprimentos de onda de Bragg) de uma FBG para os dois estados óticos ortogonais x,y v freqüência vxLMB separação de freqüências entre modos longitudinais adjacentes na polarização de x vyLMB separação de freqüências entre modos longitudinais adjacentes na polarização de y vx,yp,q freqüência de um modo longitudinal de ordem p, q na polarização de x,y vx,yp,q freqüência de um modo longitudinal de ordem p, q no modo de espaço transversal LPoi,LPnevsn ôvpmb separação de freqüências entre sinais individuais de PMB de uma dada ordem REIVINDICAÇÕES

Claims (12)

1. Sensor de fibra ótica para medir uma quantidade a ser medida (M), compreendendo uma fonte de luz de bombeamento (2), um laser de fibra (1) e uma unidade de detecção/ avaliação (3), em que o laser de fibra (1) compreende a) um primeiro refletor de extremidade birrefringente (11) e um segundo refletor de extremidade (12); b) uma fibra de amplificação de laser (13) e uma fibra sensora (14) ; e c) um meio para acoplamento de modo (15), em que d) a fibra de amplificação de laser (13), a fibra sensora (14) e o meio para acoplamento de modo (15) são dispostos entre o primeiro refletor de extremidade (11) e o segundo refletor de extremidade (12); e em que e) no laser de fibra (1), luz é capaz de se propagar em dois estados óticos (x,y; LP,oi,LP,n), que são ortogonais um ao outro devido a sua polarização e/ou sua estrutura de espaço transversal; em que f) os estados óticos mutuamente ortogonais (x,y; LP'oi,LP'n) podem ser acoplados um ao outro através do meio para acoplamento de modo (15) ; e em que g) um número de modos longitudinais (LMXP, LMxp+i—. LMyq, LMVi··., LM01P. LM01p+i..., LM11q, LM11q+i...) são capazes de oscilar em cada um dos dois estados óticos ortogonais (x,y; LP'oi,LP'ii) no laser de fibra (1); e em que h) uma mudança na birrefringência pode ser obtida para os dois estados óticos ortogonais (x.y; LPoi.LPnJna fibra sensora (14) pela interação da quantidade a ser medida (M) com a fibra sensora (14), caracterizado pelo fato de i) o primeiro refletor de extremidade (11) ser dessintonizado com relação ao segundo refletor de extremidade (12).

2. Sensor de fibra ótica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de os refletores de extremidades (11, 12) serem construídos de tal maneira que a dispersão õcp-i/ôv do deslocamento de fase φ na reflexão no primeiro refletor de extremidade (11) mais a dispersão do deslocamento de fase φ na reflexão no segundo refletor de extremidade (12) é maior para um primeiro dos dois estados óticos ortogonais (x,y; LP’oi,LP'n) do que para o segundo dos dois estados óticos (y,x; LP'n, LPVi).

3. Sensor de fibra ótica, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de a) os dois estados óticos ortogonais (x,y; LP,oi,LP'neven) serem dois modos de polarização linear (x,y), que, em particular têm a mesma estrutura de espaço transversal, particularmente LP0i, e o meio para acopla- i mento de modo (15) ser uma junção de fibras de 90°; ou b) os dois estados óticos ortogonais (x,y; LP’oi,LP'neven) serem dois modos de espaços transversais, particularmente, LP01 e LPneven que, em particular, têm a mesma polarização linear, e o meio para acoplamento de modo (15) ser uma junção de fibras deslocadas lateralmente.

4. Sensor de fibra ótica, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de no laser de fibra (1) luz ser capaz de se propagar exatamente nos dois estados óticos ortogonais (x,y; LP'oi,LP'i1even).

5. Sensor de fibra ótica, de acordo com qualquer uma das reivin-i dicações precedentes, caracterizado pelo fato de primeiro refletor de extremidade (11) ser dessíntonizado com relação ao segundo refletor de extremidade (12) por menos do que a soma das larguras dos picos de reflexão dos dois refletores de extremidades (11, 12) e, em particular, ser dessíntonizado com relação ao segundo refletor de extremidade (12) por menos do que í metade da soma das larguras dos picos de reflexão dos dois refletores de extremidades (11,12).

6. Sensor de fibra ótica, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de a) o segundo refletor de extremidade (12) ser birrefringente e, i em particular, b) os dois refletores de extremidades (11, 12) serem construídos como grades de fibra de Bragg (11, 12).

7. Sensor de fibra ótica, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de a) a fibra de amplificação de laser (13) ser dopada e ter uma seção transversal de núcleo elíptica; b) os dois refletores de extremidades (11,12) serem construídos como grades de fibras de Bragg (11, 12) inscritas na fibra de amplificação de laser (13), as quais são construídas similarmente afastados da dessintoniza-ção mútua; c) um meio para acoplamento de modo (15) ser disposto no centro do comprimento do curso ótico entre os dois refletores de extremidades (11, 12); d) a parte da fibra de amplificação de laser (13) disposta entre um dos refletores de extremidades (11, 12) e o meio para acoplamento de modo (15) ser idêntica à fibra sensora (14).

8. Sensor de fibra ótica, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de, para selecionar uma des-sintonização mútua adequada dos dois refletores de extremidades (11, 12), pelo menos um dos dois refletores de extremidades (11, 12) interagir com um meio de dessintonização e, em particular, pelo fato de pelo menos um dos dois refletores de extremidades (11, 12) pode ser exposto a uma força de tensão ou compressão mecânica selecionável e/ou a uma temperatura selecionável pelo meio de dessintonização.

9. Sensor de fibra ótica, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de a quantidade a ser medida (M) ser uma pressão, particularmente uma pressão hidrostática, uma temperatura, uma tensão mecânica ou uma quantidade eletromagnética, particularmente uma quantidade elétrica.

10.

Método para medir uma quantidade a ser medida (M) a) em que uma fonte de luz de bombeamento (2) bombeia oti-camente um laser de fibra (1) que tem um primeiro refletor de extremidade birrefringente (11) e um segundo refletor de extremidade (12), b) de modo que no laser de fibra (1) um número de modos longi- tudinais (LMXP, LMxp+i-, LMyq, LMyq+1..., LM01P> LM01P+1-.

LM11q, LM11q+i...)oscila em cada um dos dois estados óticos ortogonais (x,y; ίΡ'οι,ίΡ'ιι) que são ortogonais um ao outro devido a sua polarização e/ou sua estrutura de espaço transversal, c) em que os estados óticos mutuamente ortogonais (x,y; LPoi.LPn) são acoplados um ao outro por um meio para acoplamento de modo (15); e d) em que a quantidade a ser medida (M) interage com uma fibra sensora (14) do laser de fibra (1) de tal maneira que uma mudança na birre-fringência para os dois estados óticos ortogonais (x,y; LP'oi,LP'1ieven) é gerada na fibra sensora (14) caracterizado pelo fato de e) dois refletores de extremidades (11, 12) que são dessintoni-zados com relação um ao outro são usados como refletores de extremidades (11, 12), e f) pelo menos um sinal (PMB, TMB) ser detectado e avaliado, o qual é produzido pela interferência entre exatamente os dois modos longitudinais (LMXP, LMyq, LM01P, LM11q) que são ortogonais um ao outro devido a sua polarização e/ou sua estrutura de espaço transversal.