能「感知」周圍環境的FSBS光纖

GIF

導 讀

近日，瑞士聯邦理工學院洛桑分校EPFL的Desmond M. Chow和Luc Thévenaz教授課題組在光纖中提出了一種分散式前向受激布里淵散射（FSBS）的分析和測量方法，用來感知光纖周圍的環境是液體還是固體。他們在730m的光纖上實現了15m的空間解析度，並且在30m長的無包覆光纖段中，測量了水和乙醇的局部聲阻抗，測量結果與標準值一致。相關工作以「Distributed forward Brillouin sensor based on local light phase recovery」為題，發表在《Nature Communications》期刊上。

該文章第一作者和通訊作者是Desmond M. Chow。

背景介紹

近年來，光纖作為一種優異的感測器，能夠像人體的神經系統一樣，感知周圍環境的溫度和壓力變化。這種技術在橋樑和天然氣管道等重大工程結構中尤其重要，可以不間斷地監測其力學結構的變化並預測使用壽命。

在光纖中，光的傳輸特性取決於四個參數：強度、相位、偏振和波長。當光纖被拉伸或溫度變化時，這些參數就會隨之改變，從而能夠檢測結構中的裂縫或異常溫度，而這種感知的前提是光能夠從光纖中逸出、直接「觸碰」周圍的介質。但是，直到目前為止，當光沒有從光纖中逸出時，就不能確定在光纖周圍發生了什麼改變。

目前，基於後向受激布里淵散射（BSBS）的分散式感測技術正處於快速發展階段。然而，直到今天，所有報道的分散式布里淵感測器都只局限於檢測光纖纖芯內部的物理參數，難以對外部環境進行感知。相反，前向受激布里淵散射（FSBS）是由共振型橫向聲波引起的，這種聲波能夠與光纖的周圍環境產生較強的相互作用，因而允許其對光纖周圍環境進行檢測，打破了BSBS的感測局限。在以往的研究中發現，由於泵浦光和散射光存在共同傳播的行為，空間分辨FSBS信號在技術上是一個挑戰。

目前，FSBS的光學檢測方案主要依賴於薩格納克干涉儀環路（Sagnac interferometer loop）結構，將探測信號的非互易光學相位變化轉換為偏振（徑向）FSBS的光強度變化，或者對非偏振（扭轉）FSBS採用直接偏振光地檢測方法。但是，這兩種技術都會導致測量無法具有空間分辨能力。

創 新 研 究

研究人員基於受激布里淵散射產生的超聲波，提出了一種FSBS光纖分散式感測技術，可以感知光纖周圍的環境。這種高頻超聲波在光纖的內壁處發生反射，反射波根據所接觸到的不同物質，會在光纖不同的位置發生超聲模式特性的變化，並在光信號上留下「印記」。當光離開光纖時，就會通過讀取這些「印記」來探測到光纖周圍的環境。此外，這種超聲信號很微弱，不會干擾光束在光纖內部的傳輸。

他們將光纖分別浸入水和酒精中，都能夠精確地識別出光纖周圍環境的變化，並可以定位發生變化的具體位置。LucThévenaz教授說：「每一個聲波脈衝都有輕微的滯後，這體現在到達的光束上。無論沿途有什麼干擾，我們都能分辨出這些干擾，並確定它們的位置。目前，我們能夠在大約10米的範圍內確定干擾的位置，並且我們可以通過優化進一步將檢測精度提高到1米。」

FSBS光纖分散式感測技術在水泄漏的探測、光纖周圍液體的密度和鹽度的感知，以及「光子-聲子」混合波導製備的質量控制等領域都具有潛在的應用，這將促進新一代的空間分辨感測器的發展。

圖 文 速 覽

圖一 光纖在任意位置上的橫向聲波的激發和讀取

強度調製的光脈衝（品紅色）所激發的橫向聲波（藍色），它的譜特性被讀取脈衝（綠色）探測。

圖二測量前向受激布里淵散射的實驗裝置

用於測量FSBS的空間分辨光譜的裝置示意圖。

圖三讀取脈衝譜的縱向演變的模擬結果

a沿著光纖變化的讀取脈衝頻譜；

b讀取脈衝的級、1級和2級光譜邊帶（分別與J2，J12和J22成比例）的強度傳輸；

c任意位置的讀取脈衝頻譜。

圖四

讀取脈衝邊帶強度變化的測量

當30m未包覆的光纖段放置於空氣時，在每個掃描頻率νF測量的0、1、2階讀取脈衝邊帶（分別與J2，J12和J22成比例）的強度。

圖五 FSBS局部響應數據的處理步驟

a在FSBS峰值諧振頻率vres處獲得的第、1、2階頻譜邊帶強度；

b使用方程式8中的貝塞爾遞歸關係得到的相位因子ξ(zr);

c折射率的局部幅度變化值aRI(z)。

圖六 正向受激布里淵散射的測量結果

當30 m未包覆的光纖段分別放置於a 空氣、b乙醇和c水中時，在730m長的光纖上測量得到的FSBS分布光譜。

圖七感知點處的FSBS光譜

30米光纖段分別置於a空氣，b乙醇和c水時，在給定的光纖位置處測量得到的FSBS光譜。

文章鏈接

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！