NOVO MÉTODO JN/JN+2 DE DETECÇÃO DE FASE ÓTICA BASEADO EM INTERFERÔMETROS HOMÓDINOS PASSIVOS

Abstract

Among the optical sensor interrogation techniques, the ones based on the interferometry principle stand out because they guarantee high resolution in the detection of the optical phase difference. In this regard, passive homodynamic interferometric detection techniques have some additional advantages, such as low noise introduction and simplicity in their experimental configuration. However, conventional and newer methods use between three and six harmonic components to detect optical phase difference. Because of this, these methods tend to become more inaccurate in increasingly noisy environments. Thus, the present thesis proposes a new Jn/Jn+2 method, that uses only two harmonic components to calculate the optical phase difference. Moreover, its numerical implementation is simple as it uses a third order polynomial fit to calculate the optical phase difference. As a result, the proposed method obtained a higher precision than other methods for cases where the signal-to-noise ratio is less than 23 dB. For the experimental validation of the method, a configuration based on an unbalanced Mach-Zehnder interferometer was used, which resulted a dynamic range for the optical phase difference from 8.38 rad to 16.76 rad. It is important to note that these limits can be easily expanded by means of adaptations of the optical and electronic setup depending on the characteristics of the excitation signal. It should also be noticed that the present method could be used in different applications, such as pressure sensors, vibration, displacement etc.

Dentre as técnicas de interrogação de sensores óticos destacam-se as baseadas no princípio da interferometria por garantirem elevada resolução na detecção da diferença de fase ótica. Nesse aspecto, as técnicas de detecção interferométricas homódinas passivas apresentam algumas vantagens adicionais, como baixa introdução de ruído e simplicidade em sua configuração experimental. Entretanto, os métodos convencionais e os mais recentes utilizam entre três a seis componentes harmônicas para a detecção da diferença de fase ótica. Por conta disso, esses métodos tendem a se tornar mais imprecisos em ambientes cada vez mais ruidosos. Dessa forma, a presente tese propõe um novo método Jn/Jn+2, que utiliza apenas duas componentes harmônicas no cálculo da diferença de fase ótica. Além disso, a sua implementação numérica é simples, pois utiliza um ajuste polinomial de grau 3 para calcular a diferença de fase ótica. Como resultado, o método proposto obteve uma maior precisão em relação aos demais métodos para os casos em que a relação sinal ruído são inferiores a 23 dB. Para a verificação experimental do método, foi utilizada uma configuração baseada em um interferômetro de Mach-Zehnder desbalanceado, a qual garantiu uma faixa dinâmica para a diferença de fase ótica de 8,38 rad a 16,76 rad. É importante ressaltar que esses limites podem ser facilmente estendidos por meio de adaptações no aparato ótico e eletrônico em função das características do sinal de excitação. Deve-se observar ainda que o presente método pode ser usado em diferentes aplicações, como em sensores de pressão, vibração, deslocamento etc.