光机械时域反射计
光纤构成了一个特殊的传感平台。然而,标准光纤提出了一个固有的传感挑战:它们将光限制在光纤纤芯。因此,分布式光纤传感器仅限于测量纤芯内普遍存在的条件。本文对未经改性的标准光纤外层介质进行了分布分析。测量是基于引导声学模式的受激散射。该协议克服了一个主要的困难:引导声波产生前向散射。该解决方案依赖于映射两个由声波耦合的光学音调的瑞利背向散射贡献。分析了超过3km的具有100 m分辨率光纤。测量了包层外的空气、乙醇和水,以及聚酰亚胺涂层纤维外面的空气和水。结果建立了一种新的传感器结构:光机械时域反射法,具有许多潜在的应用前景。 该研究成果以"Optomechanical time-domain reflectometry"为题发表在《Nature Communications》上。
图1 实验装置示意图。
如图1所示,可调谐激光二极管光源产生中心频率ω0的光,此光将产生所有所需光波。利用伪随机位序列驱动的电光相位调制器(PM)用于将激光线宽展宽到100 MHz的量级(线宽展宽仅用于部分实验中)。Sensor分支中的光由电光强度调制器(EOM)和半导体光放大器(SOA)调制,在共脉冲包络范围内在光频率ω0±ω/2处产生两种频率。输入光波(红色表示)由掺铒光纤放大器(EDFA)放大,并发射到被测光纤的一端。两个场分量通过沿光纤的前向受激布里渊散射过程耦合,这与射频差ω的选择密切相关。瑞利背向散射(绿色表示)通过一个光纤环行器传回第二部分光纤,这是一个频率选择性反向受激布里渊散射(SBS)放大器。Amplifier支路(棕色表示)中的激光二极管光源的光在频率上被单边带电光调制器(SSB)所抵消,从而产生SBS泵浦光波。调谐SBS放大以分离两个光学音调的瑞利后向散射贡献。放大后的波形由光电探测器检测,并由实时示波器进行进一步的离线处理。对ω多个选择进行重复测量。对收集到的瑞利背向散射图进行分析,得到光纤包层外甚至涂覆层外的光机械时域反射测量图。
图2 聚酰亚胺涂层光纤的光机械时域反射法。
图3 50m分辨率光机械时域反射测量。
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