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Sensor óptico de variações de índice de refração baseado em interferência multimodal

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Universidade Federal de Lavras

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Programa de Pós-Graduação

Programa de Pós-Graduação em Física

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Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

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Meio ambiente
Tecnologia e produção
Trabalho

Objetivos de Desenvolvimento Sustentável

ODS 3: Saúde e bem-estar
ODS 6: Água potável e saneamento
ODS 9: Indústria, inovação e infraestrutura
ODS 12: Consumo e produção responsáveis
ODS 13: Ação contra a mudança global do clima

Dados abertos

Resumo

Este trabalho apresenta o desenvolvimento, a modelagem teórica e a validação experimentalde um sensor de índice de refração baseado em interferência multimodal, utilizandoumaestrutura interferométrica do tipo Singlemode–No-Core–Singlemode (SNCS). Apropostafundamenta-se na exploração da interferência multimodal e do fenômeno de autoimagememfibras ópticas, com ênfase na utilização de uma fibra sem núcleo como região multimodo, demodo a intensificar a interação do campo evanescente com o meio externo. Inicialmente, sãorevisados os fundamentos do guiamento óptico, da interferência multimodal edasconfigurações do tipo SMS, bem como os principais modelos teóricos descritos na literatura.Em seguida, a resposta espectral da estrutura SNCS é analisada por meio de simulaçõesanalíticas implementadas em Python, reproduzindo resultados previamente reportadosevalidando o arcabouço teórico adotado. Experimentalmente, a estrutura foi fabricadaporfusão direta entre fibras monomodo padrão telecom e um segmento de fibra semnúcleo,sendo caracterizada por meio de um interrogador óptico de banda larga. Ensaiosrefratométricos foram realizados com a imersão do sensor em soluções aquosas de glicerinaem diferentes concentrações, evidenciando deslocamentos espectrais lineares emfunçãodoíndice de refração do meio externo. Os resultados demonstram elevada sensibilidadeesimplicidade construtiva, confirmando o potencial da estrutura SNCS para aplicaçõesemsensoriamento refratométrico, especialmente em monitoramento ambiental e controledesoluções líquidas.

Abstract

This work presents the development, theoretical modeling, and experimental validationofarefractive index sensor based on multimode interference, employing a Singlemode–No-Core–Singlemode (SNCS) interferometric structure. The proposed approach explores multimodeinterference and the self-imaging phenomenon in optical fibers, with emphasis on theuseofano-core fiber as the multimode region in order to enhance the interaction betweentheevanescent field and the surrounding medium. Initially, the fundamental principles of opticalwaveguiding, multimode interference, and SMS-type configurations are reviewed, togetherwith the main theoretical models reported in the literature. Subsequently, the spectral responseof the SNCS structure is analyzed through numerical simulations implementedinPython,reproducing previously reported results and validating the adopted theoretical framework.Experimentally, the structure was fabricated by direct fusion between standardtelecomsingle-mode fibers and a no-core fiber segment, and characterized using a broadbandopticalinterrogator. Refractometric measurements were performed by immersing the sensorinaqueous glycerin solutions with different concentrations, revealing linear and reproduciblespectral shifts as a function of the external refractive index. The results demonstratehighsensitivity and structural simplicity, confirming the potential of the SNCS configurationforrefractometric sensing applications, particularly in environmental monitoring andliquidsolution control.

Descrição

Área de concentração

Óptica e Fotônica

Linha de pesquisa

Sensoriamento Óptico e Fotônica Aplicada

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Citação

CARVALHO, João Gabriel Marques de. Sensor óptico de variações de índice de refração baseado em interferência multimodal. 2026. 79 p. Dissertação (Mestrado em Física) - Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2026.

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