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Doutoramento em Engenharia Física Submitted by Manuel Jesus (albertojesus@ua.pt) on 2018-06-25T11:13:17Z No. of bitstreams: 1 Oliveira, Ricardo Jorge Figueiredo.pdf: 11368270 bytes, checksum: 6b95b8ab6e17e18573a59fc1c1ae3320 (MD5) Made available in DSpace on 2018-06-25T11:13:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Oliveira, Ricardo Jorge Figueiredo.pdf: 11368270 bytes, checksum: 6b95b8ab6e17e18573a59fc1c1ae3320 (MD5) Previous issue date: 2017

Doutoramento em Engenharia Física Hoje em dia, a tecnologia de fibra óptica está a ser amplamente usada nas áreas de telecomunicações e sensores. Historicamente, as qualidades das fibras ópticas poliméricas (POFs) têm sido menosprezadas devido à popularidade das fibras óticas de vidro. Tal facto advém maioritariamente da sua elevada atenuação. No entanto, os materiais que compõem as POFs têm vindo a melhorar significativamente nestes últimos anos. Nesse sentido, a emergência de novas técnicas e dispositivos têm vindo a ser demonstradas/os. Considerando o campo das telecomunicações, as POFs estão a crescer rapidamente em aplicações de redes de acesso. Além disso, o advento da operação monomodo e das redes de Bragg em POF estão a ser amplamente explorados em aplicações de sensores e portanto, este tipo de tecnologia tenderá a ser uma realidade num futuro próximo. Devido à necessidade de criar uma conexão de baixa perda entre fibra óptica de vidro e polimérica, será demonstrada uma nova técnica capaz de produzir terminais de POF de alta qualidade, num processo rápido, fácil e semiautomático. A conectorização destes tipos de fibras será também analisada nesta dissertação. No seguimento desta tese serão desenvolvidos dois sistemas de gravação de redes de Bragg em POF. Num dos sistemas será usado o tradicional laser de HeCd com operação nos 325 nm, sendo que noutro será usado o laser de KrF com operação nos 248 nm. Os resultados mostrarão a capacidade de gravar redes de Bragg em POF em apenas alguns segundos, contrariamente às várias dezenas de minutos necessários com o laser de 325 nm. Com base no sucesso dos resultados, o sistema de gravação que opera nos 248 nm será usado para fabricar redes de Bragg noutros tipos de fibras, incluindo as de índice em degrau, micro-estruturadas e sem bainha. A gravação de redes de Bragg de excelente qualidade em POFs de elevada birrefringência também será apresentada. A separação entre picos de ressonância irá ser usada para estimar a birrefringência de fase, que será então comparada com a obtida por simulações numéricas e com recurso ao método de varredura de comprimento de onda. As redes de Bragg produzidas pelos métodos anteriores serão então caracterizadas à deformação, temperatura, pressão, humidade e índice de refracção. Os resultados serão comparados com a literatura e com aqueles encontrados teoricamente. Um dispositivo de interferência multimodal feito pela conexão de duas fibras ópticas monomodo de vidro a uma fibra óptica multimodo de polímero, será usado para demonstrar a medição de deformação e temperatura. As capacidades de absorção de água, oferecidas pelo material à base de polimetilmetacrilato serão usadas para medir humidade. No final desta dissertação, um sensor híbrido composto por um dispositivo de interferência multimodal, baseado em POF e contendo uma rede de Bragg, demonstrará a capacidade de medir deformação, temperatura e índice de refracção. A propriedades de baixa absorção de água por parte do material que compõe a fibra polimérica será usada para demonstrar insensibilidade à humidade por parte do sensor. Nowadays, fiber optic technology is being widely employed in communication and sensing areas. Historically, the qualities of polymer optical fibers (POFs) have been overwhelmed by the popularity of the silica optical fibers. This has been mainly due to the POFs higher transmission loss. However, in last years, POF materials are improving their performance. Therefore, the emergence of new devices and techniques have been demonstrated. Considering the communications field, POFs are growing rapidly in fiber to the home applications. Additionally, the advent of single mode operation and fiber Bragg gratings in POFs are being widely explored in several sensing applications. Consequently, this technology will tend to be a reality in a near future. Due to the need of a low loss connection between silica and polymer optical fibers, it will be demonstrated a new technique capable to produce POF terminals of high quality in an easy, fast and semi-automated process. The connectorization of these types of fibers will be then analysed in this dissertation. The development of two Bragg grating inscription systems for POFs will also be explored in this thesis. One of the systems will employ the traditional HeCd laser operating at 325 nm, while the other will use the KrF laser operating at 248 nm. Results will show the capability to write Bragg gratings in a POF in few seconds, contrary to the several tens of minutes reported for the 325 nm radiation. Based on the success of the results, the 248 nm inscription setup will be used to inscribe Bragg gratings in other types of POFs, including step-index, microstructured, and unclad POFs. The inscription of a high quality Bragg grating in a high-birefringence POF will also be presented and the phase birefringence arising from the Bragg peak separation will be compared with the numerical simulations togheter with the wavelength scanning method. The fiber Bragg gratings produced through the previous methods will be characterized to strain temperature, pressure, humidity and refractive index. Results will be compared with literature and with the ones found theoretically. A multimode interference device made by sandwiching a multimode POF between two single mode silica fibers will be used to demonstrate the ability to measure strain and temperature. The water absorption capabilities offered by the polymethylmethacrylate material will be used to measure humidity. At the end of this dissertation, a hybrid sensor composed of a POF based multimode interference device, comprising a fiber Bragg grating, will demonstrate the capability to measure strain, temperature and refractive index. The low water absorption properties of the material that composes the POF will be used to demonstrate a POF sensor with humidity insensitiveness.

Doutoramento em Engenharia Física Com o presente trabalho pretendeu-se explorar soluções de fibra ótica na aquisição da onda de pulso na artéria carótida, para análise da sua morfologia e cálculo da pressão arterial central. Foram desenvolvidos três sistemas, dois baseados em redes de Bragg, gravadas em fibra de sílica, e outro em modulação de intensidade, usando fibra ótica de plástico. O primeiro sensor foi desenvolvido com o objetivo de testar a exequibilidade da utilização de fibra ótica nesta aplicação. Após resultados promissores da sua caracterização e testes em sujeitos, o desenvolvimento dos dois sensores consequentes teve por objetivo o aumento da sensibilidade e facilidade de utilização das sondas, pela melhoria da sua forma, portabilidade e autonomia. A solução baseada em intensidade mostrou-se ainda como um sistema que coligava desempenho a baixo custo, tendo por isso sido submetida a um estudo pré-clínico, comparando o seu desempenho ao de um dispositivo comercial, de natureza eletromecânica, numa pequena coorte de indivíduos saudáveis. Este estudo teve como objetivo investigar a correlação dos resultados obtidos com a sonda de fibra ótica e o dispositivo comercial. Tendo-se obtido uma correlação muito forte entre as duas técnicas, o dispositivo foi proposto para avaliação clínica. O desempenho da sonda foi assim comparado a um dispositivo comercial, numa coorte de indivíduos hipertensos. Foram também levados a cabo testes invasivos, usando como referência ondas de pressão obtidas no lúmen da artéria aorta em contexto de cateterismo cardíaco. Em ambos os estudos clínicos foram obtidos coeficientes de correlação muito fortes e diferenças de pressão média na gama obtida para dispositivos comerciais. Conclui-se assim que o dispositivo baseado em modulação de intensidade surge como uma promissora alternativa de baixo custo aos dispositivos eletromecânicos de avaliação de pressão arterial central disponíveis no mercado. The present study aimed to explore fibre optic solutions in the acquisition of the pulse wave in the carotid artery, to its morphology analysis and central arterial pressure calculation. Three systems were developed, two based on Bragg gratings, engraved in silica fibre, and another on intensity modulation, using plastic optical fibre. The first sensor was developed in order to test the feasibility of the fibre optics use in this application. After promising results in the characterization and small tests in subjects, the development of the consequent two sensors had as main goals increasing the probes sensitivity and user-friendliness, by improving its shape, portability and autonomy. The intensity-based solution proved to be the system that best combined performance to low cost, and thus was subjected to a pre-clinical study, comparing its performance to a commercial device in a small cohort of healthy individuals. This study aimed to investigate the correlation between the results obtained with the fibre optic probe and the commercial device. Having been obtained a very strong correlation between the two techniques, the device was proposed for clinical evaluation. The probe’s performance was therefore compared to a non-invasive commercial device, in a cohort of hypertensive individuals. Invasive testing was also performed, using as reference pressure waves obtained in the lumen of the aortic artery in cardiac catheterization context. In both trials very strong correlation coefficients were obtained, as well as medium pressure differences in the range verified for commercial devices. It is concluded that the device based on intensity modulation arises as promising low cost alternative to central arterial pressure assessment electromechanical devices available in the market.

Mestrado em Engenharia Mecânica Nos ultimos anos, o uso da bra otica cresceu consideravelmente, sendo os sensores uma das suas maiores aplica c~oes. Esta tecnologia tem diversas vantagens sobre os sensores convencionais tais como: imunidade a interfer^ encias eletromagn eticas, biocompatibilidade e elevada sensibilidade. No entanto, h a interesse cient co e industrial em melhorar o seu desempenho (sensibilidade, resolu c~ao do sensor e gama de trabalho), sendo o revestimento da bra otica com diversos materiais um dos procedimentos que poder a ser usado para alcan car esse objectivo. O oxido de grafeno e um derivado do carbono que resulta da exfolia c~ao da gra te. Este nanomaterial consiste em folhas semelhantes as do grafeno mas possui grupos funcionais de oxig enio que podem reagir f sica ou quimicamente com diversas esp ecies. No ^ambito desta disserta c~ao foram revestidas bras oticas com oxido de grafeno atrav es da deposi c~ao por camadas. Nos revestimentos variou-se o processo de deposi c~ao e o n umero de camadas. A caracteriza c~ao foi feita atrav es de espectroscopia de Raman, microscopia electr onica de varrimento e microscopia de for ca at omica. Para averiguar a integridade dos revestimentos imersos em solu c~ao aquosa, foram realizados testes de lix via c~ao. Os resultados da caracteriza c~ao dos revestimentos con rmam a presen ca de oxido de grafeno na superf cie da bra otica. Depois de garantir a qualidade dos revestimentos procedeu-se ao desenvolvimento e caracteriza c~ao dos sensores baseados em bra otica com revestimentos de oxido de grafeno. Foram testadas duas con gura c~oes diferentes baseadas em redes de Bragg uniformes e inclinadas. Os sensores foram testados sem e com revestimento a varia c~oes de ndice de refra c~ao, variando o procedimento de deposi c~ao do oxido de grafeno e o n umero de camadas. A corros~ao do ferro e um dos maiores problemas enfrentados pelos engenheiros. E a degrada c~ao gradual dos metais provocada por rea c~oes qu micas resultantes da intera c~ao do metal e o meio ambiente. Neste trabalho pretendeu-se, ainda, investigar a possibilidade do oxido de grafeno estabelecer liga c~oes qu micas com o ferro, e assim permitir detectar o fen omeno da corros~ao. Neste caso os sensores foram testados em solu c~oes de nitrato de ferro(III). Veri cou-se que h a altera c~ao das caracteristicas dos espetros das redes de Bragg quando s~ao imersos em diferentes solu c~oes, no entanto os resultados n~ao s~ao muito conclusivos quanto as diferen cas entre os procedimentos de deposi c~ao e ao n umero de camadas. In the last years, the use of optical bers has grown considerably, being sensors one of the biggest applications. This technology has several advantages over conventional sensor such as: immunity to electromagnetic interferences, biocompatibility and high sensitivity. However, there is a scienti c and industrial interest to improve the sensor performance (sensitivity, resolution and working range). Coating the optical ber sensor with di erent materials is one proceeding that can be used to achieve this goal. Graphene oxide is a carbon derivative which results from the exfoliation of graphite. This nanomaterial consists in graphene like sheets with oxygen functional groups that can react physicaly or chemically with di erent species. In this work several optical bers samples were coated with GO through the layer by layer method. Two di erent proceedings were tested as the in uence of the number of of graphene oxide layers. The coating characterization was made through Raman spectroscopy, scanning electron microscopy and atomic force microscopy. To test the integrity of the coatings immersed in aqueous solutions, a leaching test was carried out. The results of the characterization con rm the presence of graphene oxide in the optical ber surface. After ensuring the quality of the graphene oxide coatings, it was carried out the development and characterization of optical ber based sensors with graphene oxide coatings. Were tested two di erent sensor con gurations, one based in uniform Bragg gratings and the other in tilted Bragg gratings. The sensors were tested without and with coating to refractive index variations, changing the proceeding to deposit the graphene oxide and the number of layers. Iron corrosion is one of the biggest problems faced by engineers. It is the gradual degradation of the metal by chemical reactions produced by the interactions of the metal with the environment. In this work, it was studied the possibility of the graphene oxide interact with the iron ion in order to detect the corrosion phenomenon. In this case, the sensors were tested in iron(III) nitrate solutions. It was veri ed that there are alterations of the Bragg gratings spectra characteristics when they were immersed in di erent solutions, however the results are not conclusive concerning the in uence of the coating proceeding used and the in uence of the number of layers.

Mestrado em Engenharia Mecânica Submitted by Cristina Santos (cmaria@ua.pt) on 2017-02-21T16:10:21Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_EdgarMartins.pdf: 12195832 bytes, checksum: 5e86e7684d6a74df4b2ae728b3d3d262 (MD5) Made available in DSpace on 2017-02-21T16:10:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertação_EdgarMartins.pdf: 12195832 bytes, checksum: 5e86e7684d6a74df4b2ae728b3d3d262 (MD5) Previous issue date: 2016

Doutoramento em Engenharia Física 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. In the last years, the Optoelectronics has been established as a top field of research able to drive towards new technological solutions. The abundant achievements in the field of optics as well in optical communications have been of great importance and triggered a number of innovations. Among the large group of existing optical components, optical fiber components are mainly relevant due to three factors: their simplicity, their nature as an optical fiber based component and the capability of optical fiber to carry information. In this thesis the focus was on one of these optical components: optical fiber gratings, which have unique optical processing properties and are quite interesting for the development of devices for optical communications and sensing applications. The work started with a theoretical analysis applied to fiber gratings and continues with the most used fiber gratings production methods. The inscription of fiber gratings was also addressed in this work, where an automated inscription setup has been implemented for silica fiber, and experimental results showed a good approximation to the simulation study. Also, the inscription setup for gratings in polymer optical fiber was developed. A detailed analysis of the acousto-optic modulation in fiber gratings in silica and polymer optical fiber was presented. By means of a detailed analysis of the mechanical excitation modes applied to the modulator set, it was noticed that two predominant modes of acoustic excitation can be found in the optical fiber depending on the applied acoustic frequency. Through this characterization, it was possible to develop new applications. Studies and implementation of different devices based on fiber gratings were performed, using acousto-optic effect and regeneration process in optical fiber for photonic applications such as fast add-drop multiplexer, tunability of the fiber Bragg grating group delay, tunable phase-shift fiber Bragg grating, tunable mode coupler, method for inscription of complex fiber Bragg grating profiles, gain equalization filter and adjustable notch filters.

Doutoramento em Engenharia Física Submitted by Bella Nolasco (bellanolasco@ua.pt) on 2014-05-05T10:30:50Z No. of bitstreams: 1 Componentes em fibra otica para comunicações oticas e sensores.pdf: 18504487 bytes, checksum: 1ea24fa54cf067f9f0d5e7353a1c9237 (MD5) Made available in DSpace on 2014-05-05T10:30:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Componentes em fibra otica para comunicações oticas e sensores.pdf: 18504487 bytes, checksum: 1ea24fa54cf067f9f0d5e7353a1c9237 (MD5) Previous issue date: 2013-12-18

Se registraron rejillas de difracción de transmisión en película AGFA 8E75, tratadas químicamente bajo procesos convencionales con D-19 + ferrocianuro de potasio y una técnica de procesamiento químico desarrollada para película PE-2, para la obtención de franjas con relieve. Las estructuras holográficas fueron medidas topográficamente mediante la técnica de microscopía de fuerza atómica en modo no contacto (AFM-NC) y se observan cambios en las profundidades bajo variaciones en las exposiciones y la fotoquímica utilizada. Se encuentra que el mejor rendimiento en términos de profundidad de relieve obtenido está dado por un proceso tradicional con el cual se alcanzaron profundidades entre 0,15 y 0,3 m para densidades ópticas y frecuencias espaciales bajas. En este trabajo evaluamos la posibilidad de obtener matrices de relieve en haluros de plata para procesos de réplica de hologramas., Diffraction transmission gratings were recorded in AGFA-8E75 film, chemically treated under processes with D-19 + potassium ferrocyanide and a chemical processing technique proposed for PE-2 film to obtain embossed stripes. Holographic structures were measured topographically by the technique of atomic force microscopy in noncontact mode (NC-AFM) and we observe changes in the depths under variations in exposures and used photochemistry. We find that the best performance in terms of relief depth obtained is given by the conventional process which reached depths between 0.15 m and 0.3 m for spatial frequencies of the order of 400

Tese de mestrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores. 2006. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto, Faculdade de Ciências

Tese de mestrado. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 1998