Sensoriamento utilizando interferômetros do Sagnac em fibra na região do infravermelho e terahertz

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dc.contributor.advisor-co1Leal Júnior, Arnaldo Gomes
dc.contributor.advisor-co1IDhttps://orcid.org/0000-0002-9075-0619
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/7246557168481527
dc.contributor.advisor1Castellani, Carlos Eduardo Schmidt
dc.contributor.advisor1IDhttps://orcid.org/0000-0003-4154-5683
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/1975160943820607
dc.contributor.authorPizzaia, João Paulo Lebarck
dc.contributor.authorIDhttps://orcid.org/0000-0001-6282-2120
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/0557675866537606
dc.contributor.referee1Pontes, Maria José
dc.contributor.referee1IDhttps://orcid.org/0000-0002-9009-2425
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/4148956242627659
dc.contributor.referee2Díaz, Camilo Arturo Rodríguez
dc.contributor.referee2IDhttps://orcid.org/0000-0001-9657-5076
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/2410092083336272
dc.contributor.referee3Werneck, Marcelo Martins
dc.contributor.referee3IDhttps://orcid.org/0000-0002-8804-0503
dc.contributor.referee3Latteshttp://lattes.cnpq.br/9106754041376544
dc.contributor.referee4Marques, Carlos Alberto Ferreira
dc.contributor.referee4IDhttps://orcid.org/0000-0002-2799-643X
dc.date.accessioned2026-02-24T19:31:38Z
dc.date.available2026-02-24T19:31:38Z
dc.date.issued2025-12-12
dc.description.abstractOptical sensors stand out for their high sensitivity, reduced dimensions and weight, immunity to electromagnetic interference, and safety in potentially explosive environments. Among the various existing configurations, the Sagnac interferometer is widely recognized for its use in high-precision optical gyroscopes, but it has been increasingly employed in sensing applications of different physical quantities due to its high sensitivity. However, as occurs in other fiber-optic systems, its practical implementation may be limited by the cost associated with optical components and analysis instruments, such as the optical spectrum analyzer (OSA). In this Thesis, the mathematical modeling and the numerical and experimental development of different Sagnac interferometer configurations are presented, ranging from simple setups to arrangements with multiple optical elements in the loop. The focus of the work is on reducing the implementation and maintenance costs of Sagnac optical interferometers without compromising sensitivity, as well as on proposing new applications operating in the terahertz spectral region. In one of the proposed configurations, a force sensor based on a simple Sagnac interferometer setup was developed, using standard single-mode fiber as the sensing element in place of the polarization maintaining fiber usually employed. This modification enabled reliable measurements with a sensitivity of–0.116 nm/N, in addition to significantly reducing maintenance costs, since fiber replacement is low-cost in the event of rupture due to overload. For vibration monitoring, a simplified configuration capable of operating over a wide frequency range (50–22,000 Hz) was implemented, achieving a correlation coefficient (R2 = 0.9696) for frequency detection. In the terahertz region, a refractive index sensor based on photonic crystal fiber was modeled and simulated, yielding correlation coefficients of 0.999 and 0.987 for third- and second-order polynomial fits, respectively. The results demonstrate that the proposed configurations maintain high levels of sensitivity while employing less complex sensing systems. Thus, this work contributes to advances in the research and development of optical sensors based on Sagnac interferometers, making them simpler, more accessible, and more viable alternatives for scientific applications.
dc.description.resumoSensores ópticos destacam-se por sua elevada sensibilidade, dimensões e peso reduzidos, imunidade à interferência eletromagnética e segurança em ambientes potencialmente explosivos. Entre as diversas configurações existentes, o interferômetro de Sagnac é amplamente reconhecido por seu uso em giroscópios ópticos de alta precisão, mas tem sido progressivamente empregado em aplicações de sensoriamento de diferentes grandezas físicas devido à sua alta sensibilidade. Entretanto, como ocorre em outros sistemas ópticos em fibra, sua implementação prática pode ser limitada pelo custo associado a componentes ópticos e instrumentos de análise, como o analisador de espectro óptico (OSA). Nesta Tese, são apresentadas a modelagem matemática e o desenvolvimento numérico e experimental de diferentes configurações de interferômetros de Sagnac, desde montagens simples até arranjos com múltiplos elementos ópticos no laço. O foco do trabalho está na redução do custo de implementação e manutenção de interferômetros ópticos de Sagnac, sem comprometer a sensibilidade, bem como na proposição de novas aplicações operando na região espectral de terahertz. Em uma das configurações propostas, foi desenvolvido um sensor de força baseado em uma montagem simples do interferômetro de Sagnac, utilizando fibra monomodo padrão como elemento sensor em substituição à fibra mantenedora de polarização usualmente empregada. Essa modificação permitiu medições confiáveis com sensibilidade de–0,116 nm/N, além de reduzir significativamente o custo de manutenção, uma vez que a substituição da fibra é de baixo custo em caso de ruptura por sobrecarga. Para o monitoramento de vibração, foi implementada uma configuração simplificada capaz de operar em uma ampla faixa de frequências (50–22.000 Hz), com coeficiente de correlação (R2 = 0,9696) para detecção de frequência. Na região de terahertz, foi modelado e simulado um sensor para medição do índice de refração baseado em fibra de cristal fotônico, obtendo-se coeficientes de correlação de 0,999 e 0,987 para ajustes polinomiais de terceira e segunda ordem, respectivamente. Os resultados demonstram que as configurações propostas mantêm elevados níveis de sensibilidade ao mesmo tempo em que sistemas menos complexos para sensoriamento. Dessa forma, o trabalho contribui para o avanço na pesquisa e no desenvolvimento de sensores ópticos baseados em interferômetros de Sagnac, tornando-os alternativas mais simples, acessíveis e viáveis para aplicações científicas.
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
dc.formatText
dc.identifier.urihttp://repositorio.ufes.br/handle/10/20900
dc.languagepor
dc.publisherUniversidade Federal do Espírito Santo
dc.publisher.countryBR
dc.publisher.courseDoutorado em Engenharia Elétrica
dc.publisher.departmentCentro Tecnológico
dc.publisher.initialsUFES
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
dc.rightsopen access
dc.subjectInterferômetro de Sagnac
dc.subjectSensor
dc.subjectFibra óptica
dc.subjectPalavra-chave
dc.subjectPalavra-chave
dc.subject.cnpqEngenharia Elétrica
dc.titleSensoriamento utilizando interferômetros do Sagnac em fibra na região do infravermelho e terahertz
dc.typedoctoralThesis
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