Sensores e dispositivo a fibra óptica baseados em efeito magneto-óptico
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Data de Publicação: | 2023 |
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Resumo: | Esta tese apresenta estudos de modelagem computacional e experimentais, para construção de sensores e dispositivos a fibra óptica, que utilizam os efeitos Faraday e Kerr magneto-ópticos. Os materiais magnéticos utilizados foram o Ce:YIG, ferro e permalloy Fe/Ni. Os sensores propostos são capazes de fazer o monitoramento de campo magnético com sensibilidade e faixa de operação variadas, em que uma das configurações pode alcançar uma faixa de operação de 0 à 200 mT. Em quanto a resolução, uma das estruturas simuladas alcançou um valor de 0,051 mT. Também foi estudada a influência da temperatura na modulação do sinal, quando o Ce:YIG faz parte da composição do sensor, em que foi obtido um valor de sensibilidade cruzada de -3,27 mT/°C, numa situação não otimizada do sensor. Uma metodologia sobre como otimizar o sensor para operar em uma determinada faixa de temperatura, de 55 a 75 °C, também é discutida, onde foi alcançado um aumento da sensibilidade ao campo magnético, na faixa de temperatura delimitada, e a sensibilidade cruzada caiu para um valor de -2,47 mT/oC. Os experimentos com o permalloy mostram que efeitos de histerese prejudicam sua utilização como material magnético na composição do sensor. Em suma, os estudos realizados têm um viés de projetar e caracterizar a estrutura do sensor para que seu sinal seja otimizado a depender de sua aplicação. O sistema construído experimentalmente também serve para finalidade de caracterizar materiais magnético, e obter paramentos magneto-ópticos desses materiais, foram encontrados os valores para rotação Kerr de 0,654 o para o ferro, e de 1,075 o para o permalloy. Com isso, foi estimado um valor para constante magneto- óptica de 0,021 - j0,032 para o ferro, e de 0,034 - j0,053 para o permalloy. Por fim, é prosto um dispositivo para controlar a polarização de uma onda eletromagnética, baseado no Efeito Faraday magneto-óptico e na absorção em uma fibra perfil D metalizada. O dispositivo pode ser controlado eletronicamente por solenoides, o que possibilita um melhor desempenho, quando comparado com controladores mecânicos. Os resultados das simulações mostram que o dispositivo pode polarizar e controlar a polarização da luz com uma perda de inserção máxima de 5,71 dB para uma onda não polarizada e mínima de 2,61 dB para uma onda já polarizada. |
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SILVA, Allamys Allan Dias dahttp://lattes.cnpq.br/9993980299704688http://lattes.cnpq.br/1322699438617278http://lattes.cnpq.br/2113997024256124MARTINS FILHO, Joaquim FerreiraNASCIMENTO, Jehan Fonsêca do2024-02-28T17:04:53Z2024-02-28T17:04:53Z2023-12-15SILVA, Allamys Allan Dias da. Sensores e dispositivo a fibra óptica baseados em efeito magneto-óptico. 2023. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) – Universidade Federal de Pernambuco, Recife, 2023.https://repositorio.ufpe.br/handle/123456789/55246Esta tese apresenta estudos de modelagem computacional e experimentais, para construção de sensores e dispositivos a fibra óptica, que utilizam os efeitos Faraday e Kerr magneto-ópticos. Os materiais magnéticos utilizados foram o Ce:YIG, ferro e permalloy Fe/Ni. Os sensores propostos são capazes de fazer o monitoramento de campo magnético com sensibilidade e faixa de operação variadas, em que uma das configurações pode alcançar uma faixa de operação de 0 à 200 mT. Em quanto a resolução, uma das estruturas simuladas alcançou um valor de 0,051 mT. Também foi estudada a influência da temperatura na modulação do sinal, quando o Ce:YIG faz parte da composição do sensor, em que foi obtido um valor de sensibilidade cruzada de -3,27 mT/°C, numa situação não otimizada do sensor. Uma metodologia sobre como otimizar o sensor para operar em uma determinada faixa de temperatura, de 55 a 75 °C, também é discutida, onde foi alcançado um aumento da sensibilidade ao campo magnético, na faixa de temperatura delimitada, e a sensibilidade cruzada caiu para um valor de -2,47 mT/oC. Os experimentos com o permalloy mostram que efeitos de histerese prejudicam sua utilização como material magnético na composição do sensor. Em suma, os estudos realizados têm um viés de projetar e caracterizar a estrutura do sensor para que seu sinal seja otimizado a depender de sua aplicação. O sistema construído experimentalmente também serve para finalidade de caracterizar materiais magnético, e obter paramentos magneto-ópticos desses materiais, foram encontrados os valores para rotação Kerr de 0,654 o para o ferro, e de 1,075 o para o permalloy. Com isso, foi estimado um valor para constante magneto- óptica de 0,021 - j0,032 para o ferro, e de 0,034 - j0,053 para o permalloy. Por fim, é prosto um dispositivo para controlar a polarização de uma onda eletromagnética, baseado no Efeito Faraday magneto-óptico e na absorção em uma fibra perfil D metalizada. O dispositivo pode ser controlado eletronicamente por solenoides, o que possibilita um melhor desempenho, quando comparado com controladores mecânicos. Os resultados das simulações mostram que o dispositivo pode polarizar e controlar a polarização da luz com uma perda de inserção máxima de 5,71 dB para uma onda não polarizada e mínima de 2,61 dB para uma onda já polarizada.FACEPEThis thesis presents computational modeling and experimental studies for the construction of fiber optic sensors and devices, which use the magneto-optical Faraday and Kerr effects. The magnetic materials used were Ce:YIG, iron and permalloy Fe/Ni. The proposed sensors are capable of monitoring the magnetic field with varying sensitivity and operating range, in which one of the configurations can reach an operating range of 0 to 200 mT. The influence of temperature on signal modulation was also studied, when Ce:YIG is part of the sensor composition, in which a cross sensitivity value of -3.27 mT/°C was obtained, in a non-optimized sensor situation. A methodology on how to optimize the sensor to operate in a certain temperature range, from 55 to 75 °C, is also discussed, where an increase in sensitivity to the magnetic field was achieved, in the delimited temperature range, and the cross sensitivity dropped to a value of -2.47 mT/oC. Overall, the sensitivity results obtained are comparable with those found in the literature, with one of the simulated structures achieving a resolution of 0.051 mT. Experiments with permalloy show that hysteresis effects hinder its use as a magnetic material in the sensor composition. In short, the studies carried out have a bias towards designing and characterizing the sensor structure so that its signal is optimized depending on its application. The experimentally constructed system also serves the purpose of characterizing magnetic materials, and obtaining magneto-optical coatings from these materials. Kerr rotation values were found to be 0.654 o for iron, and 1.075 o for permalloy. With this, a value for the magneto-optical constant of 0.021 - j0.032 for iron, and 0.034 - j0.053 for permalloy was estimated. Finally, a device is proposed to control the polarization of an electromagnetic wave, based on the magneto-optical Faraday Effect and absorption in a metallized D-profile fiber. The device can be electronically controlled by solenoids, which allows for better performance when compared to mechanical controllers. The simulation results show that the device can polarize and control the polarization of light with a maximum insertion loss of 5.71 dB for an unpolarized wave and a minimum of 2.61 dB for an already polarized wave.porUniversidade Federal de PernambucoPrograma de Pos Graduacao em Engenharia EletricaUFPEBrasilAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessEngenharia ElétricaSensores e dispositivos ópticosFibra ópticaCampo magnéticoEfeito magneto-ópticoControle de polarizaçãoCOMSOL multiphysicsSensores e dispositivo a fibra óptica baseados em efeito magneto-ópticoinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisdoutoradoreponame:Repositório Institucional da UFPEinstname:Universidade Federal de Pernambuco (UFPE)instacron:UFPEORIGINALTESE Allamys Allan Dias da Silva.pdfTESE Allamys Allan Dias da Silva.pdfapplication/pdf4193821https://repositorio.ufpe.br/bitstream/123456789/55246/1/TESE%20Allamys%20Allan%20Dias%20da%20Silva.pdf4a24bb24b72863cd03aa5d679f90c5acMD51LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; 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