SENSORE DI STRAIN A LASER IN FIBRA

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1 SENSORE DI STRAIN A LASER IN FIBRA E. Maccioni (1,2), N. Beverini (1,2), M. Morganti (1,2) F. Stefani (2,3), R. Falciai (4), C. Trono (4) (1) Dipartimento di Fisica E. Fermi Pisa (2) INFN Sez. Pisa (3) Dipartimento di Ingegneria dell Informazione Pisa (4) Istituto di Fisica Applicata Nello Carrara, IFAC-CNR

2 STRAIN SENSOR Presentiamo un Fiber Laser Strain Sensor (FLSS) progettato per misure a bassissima frequenza. Si dimostra una risoluzione spettrale migliore di 250 pε/(hz) 1/2 (strain ε = Δl/l) per frequenze fra 100 mhz e 10 Hz, mentre nel dominio del tempo, la sensibilità risulta migliore del nε. Il range dinamico è di circa quattro decadi, da 10 pε/(hz) 1/2 a 100 nε /(Hz) 1/2. Il principio di funzionamento del FLSS può essere utilizzato in Geofisica nella realizzazione di un dispositivo alternativo agli Strain Meter Volumetrici (Borehole Strainmeters), aventi sensibilità paragonabile ma che sono molto più ingombranti, costosi e difficili da dislocare.

3 BOREHOLE STRAINMETER Armature capacitive differenziali: segnale proporzionale alla variazione di diametro del pozzo Risoluzione migliore di 1 nε Acquisition Rate: normalmente Hz Strain ~ 50 nε avvengono giornalmente per effetto dell attrazione gravitazionale del sole Alcuni µε sono tipici per le aree interessate da terremoti di media magnitudo La preparazione del singolo sito può costare oltre 150 keuro

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5 DIAGRAMMA DI STRAIN DURANTE UN ERUZIONE VULCANICA IN ISLANDA (Nanostrain)

6 LASER TIPO BRAGG IN FIBRA (DBR-FL) Due reticoli di Bragg con riflessione centrata alla stessa lunghezza d onda, direttamente fotoincisi su fibra ottica erbium doped (mezzo attivo). Questa struttura costituisce una cavità laser di tipo Fabry-Perot che, pompata otticamente a 980 nm, emette a circa 1530 nm.

7 DBR FIBER LASER singolo modo longitudinale stabile + riga molto stretta Fiber Laser linewidth: < 5 khz Δλ laser < 4*10-8 nm (Δλ Bragg = 0.2 nm) Lunghezza di Coerenza > 50 km

8 FIBER LASER TYPICAL CHARACTERISTICS FL characteristics Bragg reflectors length: 1cm Rear FBG reflectivity: >99% Output FBG reflectivity: ~ 90% Cavity length (distance between gratings): 1-3 cm Optical power emitted: 500 µw 2 mw (pump power 300 mw) Stable single longitudinal mode

9 DBR FIBER LASER Foto di un laser da noi costruito. La luce verde è dovuta a up conversion (collisione di due ioni erbio con salto di energia su livelli superiori). La fibra Erbium Doped è tagliata e giuntata alla fibra standard, che ha perdite molto piccole (<0.3 db/km).

10 SENSORI A LASER IN FIBRA L allungamento longitudinale (strain) e le variazioni di temperatura e pressione, cambiano il passo Λ dei reticoli Bragg, la lunghezza della cavità laser, e l indice di rifrazione n eff, producendo una variazione nella lunghezza d onda di emissione del laser in fibra. SENSIBILITÀ TIPICHE DI UN LASER IN FIBRA STRAIN [ε] ~ nm TEMPERATURA ~ 10 pm/ 1550 nm PRESSIONE ~ nm

11 RIVELAZIONE INTERFEROMETRICA La lettura diretta della variazione della lunghezza d onda non consente una risoluzione molto alta. Si ricorre perciò ad una rivelazione interferometrica (fase-ampiezza).la fase dipende dalla frequenza laser c/λ (che è funzione dello strain) ed è proporzionale alla differenza di cammino ottico dell interferometro (Mach-Zender).

12 CARATTERISTICHE DEI SENSORI A FIBRA LASER Insensibilità ai campi elettromagnetici la fibra è costituita da materiali dielettrici (quarzo e plastica) Il trasduttore laser può essere molto piccolo (la fibra ottica ha un diametro di soli 125 µm) La fibra Erbium Doped è compatibile con la fibra standard da telecomunicazioni (attenuazione del segnale ottico di soli ~ 0.3 db/km) L unità opto-elettronica di pompaggio e controllo può essere posta ad alcuni km dal punto di misura. È possibile impiantare su un unica fibra più sensori laser a formare un network (CON UNA SOLA STAZIONE DI CONTROLLO REMOTO)

13 WDM 1530 nm 980 nm 1530 nm Temp. Control OI MZI Anechoic Chamber OI FLSS Anechoic Chamber FL coupler OPD PZT PZT screw couple r PDC Strain Waveform PD S + - Pump Laser DO LPF SA

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16 f = 100 mhz ; 15 nε -20 PSD [dbv/(hz) 1/2 ] Frequency (Hz) Resolution 250 pε/(hz) 1/2

17 0 f = 7 Hz ; 1.5 nε -10 PSD [dbv/(hz) 1/2 ] Frequency (Hz) Resolution 15 pε/(hz) 1/2

18 Burst Excitation Time Domain Acquisition 40 f = 100 mhz ; 5 n ε 20 Signal (mv) Time (s) Hz Low-Pass Filter

19 Burst Excitation f = 1Hz ; 5 nε Signal (mv) Time (s) 10 15

20 Burst Excitation 1000 f = 7Hz ; 5 nε 500 Signal (mv) Time (s)

21 Applicazione del sensore FL: accelerometro verticale con sensibilità di progetto cm/sec 2 Magnitudo 3.2 Evento del 2006 Frequenze tipiche di parecchi Hz

22 CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI Il dispositivo ha dato prova di alta risoluzione in un range di frequenze di interesse per la Geodinamica (monitoraggio della deformazione delle rocce in regime quasi-statico). L applicazione alla misura degli stress risulta quindi di assoluto interesse, come pure lo sviluppo del dispositivo in ambito accelerometrico, per la rivelazione dei movimenti di origine sismica. La Sismologia e la Geodesia richiedono lo sviluppo di sensori che possano essere facilmente disposti in forma di network sul territorio e controllati da remoto. Queste caratteristiche appartengono certamente ai sensori laser in fibra che, dunque, possono portare un grosso contributo nei settori citati.