As Redes de Período Longo

As Redes de Período Longo (Long Period Gratings - LPG) são microestruturas ópticas inscritas na fibra, caracterizadas por uma modulação periódica da fibra (índice ou geometria) com passo espacial na ordem de centezas de micrômetros. Em oposição às FBGs, as LPGs não operam em reflexão. Nestes dispositivos, a luz é espalhada do núcleo para casca e, consequentemente, para o meio externo.

Imagem ilustrando o princípio de transmissão e acoplamento em uma LPG

Princípio Físico e o Casamento de Fase

O princípio de operação de uma LPG baseia-se na condição de casamento de fase (phase-matching condition) entre o modo fundamental do núcleo (LP01LP_{01}) e os modos de ordem superior guiados pela casca (LP0mLP_{0m}). A luz acoplada para a casca sofre rápida atenuação devido a perdas por absorção e espalhamento na interface entre a casca e o meio externo, resultando em vales de atenuação (ressonâncias) no espectro transmitido.

O comprimento de onda no qual ocorre o acoplamento máximo para um modo específico da casca é conhecido como comprimento de onda de ressonância (λres(m)\lambda_{res}^{(m)}). Este fenômeno é descrito pela equação de acoplamento:

λres(m)=(neffco−neff,mcl)⋅Λ\lambda_{res}^{(m)} = (n_{eff}^{co} - n_{eff, m}^{cl}) \cdot \Lambda

Onde:

  • λres(m)\lambda_{res}^{(m)}: Comprimento de onda central de ressonância acoplado ao modo mm da casca.
  • neffcon_{eff}^{co}: Índice de refração efetivo do modo fundamental do núcleo.
  • neff,mcln_{eff, m}^{cl}: Índice de refração efetivo do mm-ésimo modo de propagação da casca.
  • Λ\Lambda: Passo ou período espacial da rede geométrica.

Mecanismo de Sensoriamento e Campo Evanescente

O mecanismo de sensoriamento das LPGs difere substancialmente das FBGs devido à propagação da luz na casca da fibra. O campo evanescente dos modos da casca estende-se fisicamente além da interface vidro-meio externo. Como consequência, o índice de refração efetivo da casca (neff,mcln_{eff, m}^{cl}) torna-se intrinsecamente dependente das propriedades ópticas do meio circundante (nextn_{ext}).

Qualquer alteração física ou química na interface afeta a condição de casamento de fase, induzindo um deslocamento no comprimento de onda de ressonância (Δλres\Delta\lambda_{res}) ou uma variação na amplitude da atenuação. A sensibilidade a uma perturbação externa XX é governada pela equação:

dλresdX=dλresd(neffco−neff,mcl)(dneffcodX−dneff,mcldX)+ΛdΛdX\frac{d\lambda_{res}}{dX} = \frac{d\lambda_{res}}{d(n_{eff}^{co} - n_{eff, m}^{cl})} \left( \frac{d n_{eff}^{co}}{dX} - \frac{d n_{eff, m}^{cl}}{dX} \right) + \Lambda \frac{d\Lambda}{dX}

1. Sensibilidade ao Índice de Refração (nextn_{ext})

As LPGs apresentam altíssima sensibilidade a variações no índice de refração do meio externo, especialmente quando nextn_{ext} se aproxima do valor do índice de refração da casca da fibra. Esta propriedade óptica direta faz das LPGs elementos transdutores ideais para a análise de matrizes líquidas, controle de reações em tempo real e detecção de adulterações em processos industriais contínuos.

2. Funcionalização e Seletividade

Devido à interação direta do campo evanescente com o meio ambiente, a superfície da casca da fibra na região da LPG pode ser funcionalizada. A deposição de filmes finos nanoestruturados, polímeros sensíveis ou bioreceptores altera o índice de refração local na presença de compostos químicos ou biológicos específicos. Isto permite a parametrização de biossensores e sensores químicos de elevada seletividade.

3. Sensibilidade Térmica e à Deformação

À semelhança das FBGs, as LPGs também são sensíveis à temperatura e à deformação longitudinal devido aos efeitos termo-óptico, de expansão térmica e fotoelástico. No entanto, o deslocamento espectral associado a estas grandezas depende fortemente da ordem do modo da casca acoplado e da composição de dopagem da fibra, permitindo o projeto de redes com sensibilidades customizadas. Por possuírem múltiplos modos de acoplamento, é possível também o sensoriamento multiparâmetro com um único sensor.

Soluções FSI baseadas em LPG

A FSI explora a altíssima sensibilidade inerente às LPGs e ao seu campo evanescente para projetar instrumentação analítica e de controle de processos, suportando as indústrias química, alimentícia e o setor agroindustrial na padronização de compostos em linha de produção.