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dc.contributor.authorSilva, Artur de Araujo
dc.date.accessioned2022-04-07T17:21:00Z
dc.date.available2022-04-07T17:21:00Z
dc.date.issued2022-03-11
dc.identifier.citationSILVA, Artur de Araujo. Proposta da utilização de uma fibra de núcleo oco anti-ressonante para detecção simultânea de metano, monóxido de carbono e monóxido de nitrogênio. 2022. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2022. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/15821.*
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/15821
dc.description.abstractHollow-Core Anti-Resonant Optical Fibers (AR-HCF) is a novel hollow-core fiber with a low refractive index in the core and a high refractive index in the cladding. Unlike conventional solid-core optical fibers, where light confinement occurs by total internal reflection, in hollow-core fibers, this confinement can be explained by photonic bandgap mechanisms and by the theory of leaky modes. This work describes the simulations of AR-HCF using the finite element method (FEM), aiming its application in optical sensing. We performed numerical simulations using COMSOL Multiphysics software to study the propagation characteristics of AR-HCF. Also, we made simulation-related analyses, such as boundary conditions, size of mesh elements suitable to be used, and methods to reduce computational effort. Furthermore, this work demonstrates the potential application of AR-HCF as efficient sensors for the simultaneous detection of three gases: methane (CH4), carbon monoxide (CO), and nitrogen monoxide (NO). We investigated two fibers, one made of silicon oxide (SiO2) and indium(III) fluoride (InF3), to demonstrate the impact of the fiber material on performance over a wide wavelength range. We also considered in simulations the insertion of small holes perpendicular to the fiber length to enable the gas entry in the fiber's hollow core. The simulation results show that the designed fibers present low losses in the wavelengths of the absorption lines of the three gases. The highest attenuation value obtained in the simulations was 5.76dB/m for the SiO2 fiber and 0.06dB/m for the InF3 fiber, for λ = 5262.95 nm. Also, a linear behavior of the attenuation as a function of the gas concentration for the three gases of interest in the two designed fibers was obtained in the simulations. The sensitivity obtained by the sensor using an InF3 fiber with a length of 10 meters was 3.8x10^-2 (mV/ppm), 31x10^-2 (mV/ppm) and 11x10^-2 (mV/ppm) for the gases CH4, CO and NO, respectively. For the sensor using a SiO2 fiber with a length of 5 meters, the sensitivity estimated in this work was 1.9x10^-2 (mV/ppm), 15x10^-2 (mV/ppm) and 5.5x10^-2 (mV/ppm) for the gases CH4, CO and NO, respectively. In terms of the detection limits, the fiber made of InF3 material is capable of detecting concentrations of 13.2 to 86271 (ppm) of CH4, 1.6 to 10473 (ppm) of CO and 4.5 to 29340 (ppm) NO. The limits of detection for the fiber constituted of SiO2 were 26.5 to 163990 (ppm) of CH4, 3.2 to 20175 (ppm) of CO and 9.1 to 33034 (ppm) of NO.eng
dc.description.sponsorshipNão recebi financiamentopor
dc.language.isoporpor
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlospor
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil*
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/*
dc.subjectFibras óticaspor
dc.subjectFibras óticas de núcleo ocopor
dc.subjectFibras óticas anti-ressonantespor
dc.subjectSensores ópticospor
dc.subjectFibras ópticas microestruturadaspor
dc.subjectSensores de gasespor
dc.subjectOptical fiberseng
dc.subjectHollow core optical fiberseng
dc.subjectAnti-resonant optical fiberseng
dc.subjectOptical sensorseng
dc.subjectMicrostructured optical fiberseng
dc.subjectGas sensingeng
dc.titleProposta da utilização de uma fibra de núcleo oco anti-ressonante para detecção simultânea de metano, monóxido de carbono e monóxido de nitrogêniopor
dc.title.alternativeProposed use of an anti-resonant hollow core fiber for simultaneous detection of methane, carbon monoxide and nitrogen monoxideeng
dc.typeDissertaçãopor
dc.contributor.advisor1Barêa, Luís Alberto Mijam
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/7929868663210908por
dc.contributor.advisor-co1De Francisco, Carlos Alberto
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/1246572405382250por
dc.description.resumoAs Fibras Ópticas Anti-Ressonantes de Núcleo Oco são um novo tipo de fibra de núcleo oco com baixo índice de refração no núcleo e alto índice de refração na casca. Diferente das fibras ópticas de núcleo sólido, onde o confinamento da luz acontece pela reflexão interna total, nas fibras ópticas de núcleo oco este confinamento pode ser explicado pelos mecanismos de bandgap fotônicos e pela teoria dos modos vazados. Nesse sentido, esse trabalho descreve as simulações deste tipo de fibra óptica utilizando o método dos elementos finitos visando sua aplicação em sensoriamento óptico. Simulações numéricas foram realizadas usando o software COMSOL Multiphysics para estudar as suas características de propagação. Análises relacionadas à simulação foram realizadas, tais como as condições de contorno, tamanho dos elementos de malha adequados para serem usados e métodos para reduzir o esforço computacional. Além disso, este trabalho demonstra o potencial de aplicação das fibras ópticas anti-ressonantes de núcleo oco como sensores eficientes para detecção simultânea de três gases: metano (CH4), monóxido de carbono (CO) e monóxido de nitrogênio (NO). Duas fibras foram projetadas, uma feita de óxido de silício (SiO2) e outra composta por trifluoreto de índio (InF3), para demonstrar o impacto do material da fibra no desempenho em uma ampla faixa de comprimento de onda. Para possibilitar a entrada de gás no núcleo da fibra, foi considerada nas simulações a inserção de pequenos furos perpendiculares ao comprimento da fibra. Os resultados de simulação mostram que as fibras projetadas apresentam baixas perdas nos comprimentos de onda das raias de absorção dos três gases. O maior valor de atenuação obtido nas simulações foi de 5,76dB/m para a fibra de SiO2 e de 0,06dB/m para a fibra de InF3, para λ = 5262,95nm. Além disso, foi obtido nas simulações um comportamento linear da atenuação em função da concentração de gás para os três gases de interesse nas duas fibras projetadas. A sensibilidade obtida pelo sensor utilizando uma fibra de InF3 com comprimento de 10 metros foi de 3,8x10^-2 (mV/ppm), 31x10^-2 (mV/ppm) e 11x10^-2 (mV/ppm) para os gases CH4, CO e NO, respectivamente. Para o sensor utilizando uma fibra de SiO2 com comprimento de 5 metros a sensibilidade estimada neste trabalho foi de 1,9x10^-2 (mV/ppm), 15x10^-2 (mV/ppm) e 5,5x10^-2 (mV/ppm) para os gases CH4, CO e NO, respectivamente. Em termos de limites de detecção, a fibra constituída de material InF3 é capaz de detectar concentrações de 13,2 até 87117 (ppm) de CH4, 1,6 até 10587 (ppm) de CO e 4,5 até 29649 (ppm) de NO. Já os limites de detecção para a fibra constituída de SiO2 foram de 26.5 até 165798 (ppm) de CH4, 3,2 até 20410 (ppm) de CO e 9,1 até 33672 (ppm) de NO.por
dc.publisher.initialsUFSCarpor
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica - PPGEEpor
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::CIRCUITOS ELETRICOS, MAGNETICOS E ELETRONICOSpor
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::TELECOMUNICACOESpor
dc.publisher.addressCâmpus São Carlospor
dc.contributor.authorlatteshttp://lattes.cnpq.br/4131207039174093por


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