Development of advanced structures for optical fiber lasers and sensors

Abstract

Desde la irrupción de la fibra óptica en las telecomunicaciones, han surgido multitud de desarrollos basados en sus propiedades. Así, en las últimas décadas, la rápida evolución de los sistemas basados en fibra óptica, así como la aparición en el mercado de dispositivos como los amplificadores ópticos, los láseres de semiconductor de alta potencia, y otros elementos, ha hecho avanzar considerablemente la investigación en este campo. Además de la utilización de la fibra óptica en telecomunicaciones, han surgido nuevas aplicaciones, generando nuevas familias de dispositivos. Dos de ellas particularmente interesantes, son los láseres de fibra óptica y los sensores de fibra óptica. Ambas familias pueden combinarse de manera que sensores y redes de sensores de fibra óptica pueden interrogarse por medio de láseres de fibra óptica. En este marco de investigación se centra esta tesis, donde se han desarrollado estructuras avanzadas de fibra óptica para láseres y sensores. El objetivo ha sido mejorar las propiedades de los láseres de fibra, sensores y sus sistemas de monitorización, así como abordar los diferentes problemas que éstos presentan actualmente. Los retos encontrados, así como los objetivos de cada sistema, varían en función del tipo de sistema desarrollado. De esta forma, la primera parte de este trabajo ha sido dedicada al desarrollo de láseres de fibra óptica, buscando mejorar sus propiedades en términos de estabilidad, relación señal ruido, modos longitudinales, múltiples líneas de emisión y anchura de las mismas. Se han abordado diferentes tipos de configuraciones clásicas de láseres en anillo y de cavidad lineal. También se han realizado estudios de láseres de cavidad distribuida mediante dispersión Rayleigh (random). Estos láseres han suscitado gran interés en los últimos años dado que no presentan modos longitudinales. Por otro lado en el ámbito de la monitorización de sensores, se han desarrollado transductores ópticos basados en fibras micro-estructuradas, aprovechando las ventajas que éstas presentan en comparación con las fibras ópticas estándar. Finalmente se han desarrollado diferentes configuraciones de sistemas sensores con el objetivo de contribuir a la mejora de alguno de sus parámetros, como su alcance, capacidad de multiplexación, sensibilidad, rango dinámico y estabilidad de los sistemas sensores.

Optical fiber technology as well as its rapidly evolution, has attracted the scientific community attention to develop lasers, fiber optic transducers and sensor networks. In this regard, the appearance in the last decades of commercial devices such as optical amplifiers, semiconductor high power lasers and others, has contributed to the rise of this technology. In this framework, a contribution to the improvement of the performance of fiber lasers and fiber optic sensors is presented in this PhD. work, taking into account their main merits and addressing their principal challenges. The challenges as well as the objectives addressed in each design vary depending on the application. In this way, the first part of the thesis has been dedicated to the development of optical fiber lasers. And it is focused on improving their properties in terms of stability, signal noise ratio, longitudinal modes, multiwavelength emission and bandwidth of the emission lines. Different classical configurations based on ring and linear cavity lasers have been addressed. Also, random cavity lasers, which have attracted great interest in recent years due to their longitudinal modeless behavior, have been studied. On the other hand, in the field of sensor monitoring, optical transducers based on micro-structured fibers have been developed, exploiting their advantages in comparison with standard optical fibers. Finally different optical sensor networks have been developed, whose main goal have been the improvement of features such as monitoring distance, multiplexing skill, sensitivity, dynamic range and stability.