García Souto, José AntonioAndrei Poiana, Dragos2022-10-102022-10-102022-052022-07-27https://hdl.handle.net/10016/35869Mención Internacional en el título de doctorLight is a very useful tool for measuring high frequency and low amplitude mechanical vibrations. Thanks to the interference process and under certain circumstances we can obtain a specific sort of optical sources called multimode multiheterodyne sources, that are very useful to read several optical wavelengths at the same time on a single photodetector and distinguishing them from each other. This characteristic makes them suitable for interrogating fiber optic sensors. In this thesis, I analyze several fiber optic sensor readout methods that mix multiheterodyne techniques, multimode techniques, and interferometry techniques to measure ultrasound and acoustic mechanical waves. These mechanical waves occur when periodic forces are applied to mechanical structures. This disturbs the layout of atoms and may lead to cracks or the complete collapse of the structure. Therefore, the characterization and measurement of such vibrations are of great importance when performing structure health monitoring (SHM) and non-destructive evaluation (NDE). This thesis aims to solve this problem by implementing several systems that employ light-based technology to measure and characterize mechanical vibrations up to 1 MHz of frequency and sub-nano-strain (lower than 10-3 ppm) level of resolution. The proposed systems involve new features and parameters more settable compared to more conventional approaches of optical sensor reading processes and therefore they offer wider possibilities. A total of three systems have been implemented and tested: First, an electro-optic dual optical frequency comb source to read fiber Bragg gratings for dynamic measurements. This set up reaches 120 kHz of mechanical frequency detection. The second system is based on a self-heterodyne acousto-optic comb that reads a random fiber grating sensor. In this case, the system can detect up to 1 MHz of mechanical vibrations. Finally, the third is based on a compact electro-optic dual optical frequency comb that is used to read low reflectivity fiber Bragg gratings with a dispersion interferometer. This system can detect a maximum of 135 kHz of mechanical frequencies. The results of this thesis improve previous systems achievements to satisfy the specifications required to date in this application, both in mechanical bandwidth and in strain amplitude. They also show the potential of these multimode sources for high-precision optical sensing.La luz es una herramienta muy útil para medir vibraciones mecánicas de alta frecuencia y baja amplitud. Gracias al proceso de interferencia y bajo determinadas circunstancias podemos obtener un tipo específico de fuentes ópticas, denominadas fuentes multimodo multiheterodinas, que son muy útiles para leer varias longitudes de onda ópticas al mismo tiempo en un solo fotodetector y distinguirlas entre sí. Esta característica hace que estas fuentes ópticas sean adecuadas para la lectura de sensores de fibra óptica. En esta tesis, analizo varios métodos de lectura de sensores de fibra óptica que mezclan técnicas multiheterodinas, técnicas multimodo y técnicas de interferometría para medir ultrasonidos y ondas mecánicas acústicas. Estas ondas mecánicas se producen cuando se aplican fuerzas periódicas a las estructuras mecánicas. Esto perturba la disposición de los átomos y puede provocar grietas o el colapso completo de la estructura. Por lo tanto, la caracterización y medida de dichas vibraciones son de gran importancia a la hora de monitorizar el estado de las estructuras y de realizar una evaluación no destructiva. Esta tesis tiene como objetivo resolver este problema mediante la implementación de varios sistemas que emplean tecnología basada en la luz para medir y caracterizar vibraciones mecánicas hasta frecuencias de 1 MHz y nivel de resolución sub-nano-deformación (menor que 10-3 ppm). Los sistemas propuestos implican nuevas características y parámetros más configurables en comparación con los enfoques más convencionales de procesos de lectura de sensores ópticos y, por lo tanto, ofrecen posibilidades más amplias. A lo largo de la tesis se presentan tres sistemas de medida: El primero está basado en un doble peine de frecuencias ópticas (dual comb) electroóptico que es capaz de leer sensores de fibra óptica basados en redes de Bragg (FBG) en régimen dinámico. Este sistema ha sido probado con una frecuencia máxima de detección de 120 kHz. En segundo lugar, se presenta un sistema basado en un selfheterodyne comb acustoóptico para leer sensores de fibra con distribución aleatoria de la rejilla en el núcleo (random grating). Este sistema es capaz de detectar señales de vibración de hasta 1 MHz. El tercer sistema presentado se basa en un doble peine de frecuencias ópticas (dual comb) electroóptico compacto que se utiliza para leer sensores FBG de baja reflectividad con un interferómetro de dispersión. Este sistema puede detectar hasta 135 kHz de vibraciones mecánicas. Los resultados de esta tesis mejoran los obtenidos en sistemas anteriores a fin de satisfacer las especificaciones requeridas hasta la fecha en esta aplicación, tanto en el ancho de banda mecánico como en la amplitud de la deformación. También muestran el potencial de estas fuentes multimodo para la detección óptica de alta precisión.engAtribución-NoComercial-SinDerivadas 3.0 EspañaOptical fiber sensorsMultimode sourcesMultiheterodyne sourcesCombsInterferometryFiber Bragg gratingsRandom fiber gratingAcousticUltrasoundSensores de fibra ópticaFuentes multimodoFuentes multiheterodinasInterferometríaRedes de Bragg en fibraAcústicaUltrasonidodoctoral thesisElectrónicaopen access