Espalhamento Raman em fibras ópticas com aplicação em sensores distribuídos de temperatura

• Main Author: Lívia Alves Ribeiro
• Other Authors: João Batista Rosolem
• Language: Portuguese
• Published: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais 2011
• Online Access: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m19/2012/02.16.13.58

Esta tese apresenta o desenvolvimento de um sensor distribuído de temperatura baseado em espalhamento Raman anti-Stokes, tendo como ponto de partida um estudo teórico e experimental do espalhamento Raman em fibra óptica monomodo convencional. Características do espalhamento Raman em fibra óptica foram obtidas mediante a medição do espectro Raman nos dois sentidos de propagação da fibra óptica, para as bandas Stokes e anti-Stokes, obtidas em regime de espalhamento espontâneo, estimulado. O espectro co- propagante para espalhamento Raman Stokes em cascata foi obtido com até 6 ordens do espalhamento. As bandas do espalhamento Raman foram caracterizadas com relação à densidade de potência espalhada por comprimento de onda da banda de interesse, pela integral da potência espalhada em cada banda e, pela evolução espacial da potência espalhada ao longo de um carretel de fibra óptica. Especial atenção foi dada às características particulares de cada uma das bandas envolvidas no espalhamento. Assimetrias no espectro espalhado foram observadas experimentalmente relacionadas ao sentido de propagação da onda Stokes espalhada. Através da utilização de um interrogador espacial observou-se a evolução espacial das bandas Stokes e anti-Stokes na condição de ausência de casamento de fase, ou seja, quando a evolução espacial das bandas está desacoplada. Verificou-se experimentalmente o aumento exponencial associado à intensidade da banda Stokes e a consequente depleção associada à banda anti-Stokes quando esses feixes se propagam desacoplados. A caracterização do espalhamento Raman foi finalizada através da geração e medição do espectro Raman em cascata, que é o precursor da geração de fontes de banda larga na ausência de outros efeitos não lineares. Uma vez concluída as medições experimentais do espalhamento, propôs-se a solução das equações acopladas Raman Anti-Stokes em um guia de onda onde estão presentes espalhamento Raman e Brillouin gerados pela mesma fonte de bombeamento. Finalmente, apresenta-se a construção de um sensor distribuído a fibra óptica baseado em espalhamento Raman anti-Stokes, cujos princípios de concepção são discutidos em detalhe até a demonstração de seu funcionamento. O sensor desenvolvido opera em regime de espalhamento Raman espontâneo, utilizando a banda anti-Stokes; possui faixa de operação de 10 km, com precisão de 150 m na determinação da posição e 4 $°C$ na determinação da temperatura, para a perturbação na posição 5 km do enlace, seu funcionamento foi demonstrado no intervalo de 0 - 120 $°C$ . === This thesis presents the development of a distributed temperature sensor based on anti-Stokes Raman scattering. Investigation starts with a theoretical review of Raman scattering in standard optical fiber and experimental results regarding their phenomenological behaviour. In order to better define the scattering, Raman spectra were taken in both direction of fiber propagation for spontaneous, stimulated scattering and also Raman cascade. Both Stokes and anti-Stokes Raman band were characterized by measuring wavelength power density, the integrated power density and also by the their spatial evolution through the fiber. Special attention was paid to the specific characteristics of each Raman band. Scattering spectrum asymmetries related with propagation direction were observed experimentally. An spatial interrogator allowed to get experimental results for the Stokes and anti-Stokes evolution when phase matching does not occur. When this happens Raman band are said decoupled so Stokes band experiences gain and the anti-Stokes band experiences loss, as it was measured. Raman basics characterization is completed by generating and measuring a Raman cascade spectrum with up to six orders in a single pass geometry. Raman cascade is a seed to generate supercontinuum fonts. Since experimental characterization of Raman scattering optical fiber is completed, it was proposed a numerical solution for the Raman Stokes-anti- Stokes coupled equation in a presence of Brillouin scattering, by considering pump depletion due both scatterings. Finally a conception of a distributed temperature sensor based on anti-Stokes Raman scattering is presented in great detail. The most important parameters for this construction are discussed based on experimental measurements. The techniques used to obtain temperature information are carefully analyzed, at the end, a sensor topology is proposed based on literature. The operational results for the sensor measurements in laboratory demonstrated that it is able to work in 10 km long optical fiber link, locating temperature perturbation with a precision of 150 m and measuring temperature in a range from 0 to 120$°C$ within 4 $°C$ resolution.