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分布式光纤应变传感系统设计与研究 燕山大学 硕士学位论文 分布式光纤应变传感系统设计与研究 姓名：于涛 申请学位级别：硕士 专业：测试计量技术及仪器 指导教师：王玉田;侯培国 20050901 摘要 摘要 分布式光纤应变传感器是近年来开始研究的新型传感技术，由于它可 以感知传输路径上应变、压力的空间分布和随时间变化的信息，分布式光 纤传感器在多层建筑、桥梁、水坝、飞行器、压力容器等重大结构与没备 方面有重要的应用前景。论文在前人关于非线性光学、布里渊光谱学以及 分布式光纤应变传感器的研究基础上，围绕改进系统性能，建立了比较完 整的分布式光纤应变传感系统设计的数学建模以及各项参数的计算，为合 理的进行系统设计奠定了理论基础。 论文研究内容主要包括以下几个方面： 1 首先论述了分布式光纤传感器的国内外研究状况和几种用于检测 的基本方法。通过对多种可行的布里渊分布式光纤应变传感技术方案的比 较、分析，立足于制造工艺、系统精度和国内外现有元器件，选择了基于 受激布里渊散射的分布式光纤应变传感方案。 2 给出了受激布里渊散射光的定量描述，引入布里渊功率阈值的概 念。经过定量分析，论证了布里渊散射光与光纤应变、温度呈良好的线性 关系，并给出参数计算的过程，为正确应用分布式光纤应变传感系统提供 了理论依据。 3 给出了分布式光纤应变传感系统的结构框图，并对传感系统的各个 部分进行了讨论，选取了激光器工作波长，完成了两个激光器的驱动电路 设计。 f4 介绍系统设计过程中几个关键闯题的解决，提出对于该系统的一种 新的温度补偿方案。完成了部分传感系统实验，为系统的整体实现打下了 峰实的基础。 关键词应力传感；分布式光纤；0TDR技术：布里渊散射；马赫曾德干涉 仪； 燕山大学工学硕士学位论文 Abstract Distributedfiberstrainsensorisanew optical sensingtechniquearising device has in structureand recentlyItimportant foreground application heavy suchas vesselandSO mulfilayer itCan distribution on，since spatial ofstrainand on appereeive pressure transmissionandinformationwithtimeBasedon of path changed study nonlinear anddistributedfiberstrain optics，Brillouinspectroscopy optical sensorof of predecessors，surroundingimprovementsystemperformance，we establisheda mathematicmodel ofdistributed relativelycomplete building fiberstrain and calculationofeach optical sensingsystemperformed parameter to for establishtheoreticalbasisreasonable systemdesign asfollows： The studiesare primary weintroducedstatusandseveralbasicmethodsof 1 Firstly study distributedfibersensorbothhomeand and abroadBy optical comparison of feasibleschemesforBrillouindistributedfiberstrain analysismany optical on and basedfabrication sensingtechnique，and process，systemprecision ofhomeand chosedistributed abroad，we existingcomponents finally optical was Brillouin fiberstrain schemewhichbasedonstimulatedscattering sensing in light fiber，we 2 Throughintroducingscattering optical presented ofstimulatedBrillouin light，andimported quantitativedescription scattering ofBrillouinthresholdB，quantificationallyanalyzing，we concept power between and demonstratedlinear Brillouin light good relationship scattering of also of fiber，and parameter strain，temperatureoptical presentedprocess for distributedfiber calculation，whichprovidedtheorycorrectlyusing optical strain sensingsystem showedstructure fordistributedfiberstrain 3 We diagram optical each ofthe system，selectedworking sensingsystem，discussedpart sensing lI Abstraet of circuits fortwolasers laser，and design wavelength accomplisheddriving solutionofseveralissuesof 4 Introducing key systemdesign，andputting anew schemeforthis forward of temperaturecompensation systemParts are andfirmbasisfor of sensingsystemexperimentcompleted implementation whole aresettled system Strain Keywordssensor；Distributedopticalfiber；OTDRtechnique；Brillouin interferometer scattering，MachZehnder III 第1章绪论 第1章绪论 11 引言 随着多层建筑、桥梁、水坝、飞行器、海底隧道等大型现代化建筑与 设备的发展，人们对各种随时间和空间分布变化信息 如应变、温度、流速 k控要求也越来越高【l】。由于材料的应变决定着建筑物与设备 等 的,i一。邑，IJI 的使用，因此对物体应变的测量具有十分重要的意义。 由于光纤具有径细、柔韧、绝缘、耐高温、耐腐蚀、灵敏度高、响应 速度快、重量轻、体积小等优点，所以利用光纤进行测量，对测量对象几 乎不会产生干扰，便于安放，在易燃易爆环境中工作安全可靠、工作频带 宽，动态范围大，可实现对被测量的遥测遥感【2jJ。 分布式光纤传感器是将传感光纤沿场分布，并采用独特的探测技术， 去感知光纤传输路径上待测场 如温度、压力 的空间分布和随时问变化的 信息14j。分布式光纤传感器在多层建筑、桥梁、水坝、飞行器、压力容器 等重大结构与设备方面有重要的应用前景【5，目前已有利用分布式光纤传 感器对静止电缆桥、飞机多层结构冲击探测等方面进行实验的报道。近年 来，分布式光纤应力 应变 传感技术在复合材料中的应用受到高度重视。 在复合材料中埋入光纤，好似结构有了神经系统，从而赋予结构智能功能， 以监控结构的制造过程及运行状态【6j。 12分布式光纤传感技术的特点 分布式光纤传感技术是应用光纤几何上的一维特性进行测量的技术， 它把被测量作为光纤位置长度的函数，可以在整个光纤长度上对沿光纤几 何路径分布的外部物理参量进行连续的测量【”。 分布式光纤传感技术具有同时获取在传感光纤区域内随时间和空间变 化的被测量分布信息的能力，其基本特征为【8】： 1 分布式光纤传感系统中的传感元件仅为光纤，光纤传感器采用光信 燕山人学工学硕士学位论文 号作为载体，光纤的纤芯材料为二氧化硅，该传感器具有抗电磁干扰、防 雷击、防水、防潮、耐高温、抗腐蚀等特点，适用于水下、潮湿、有电磁 干扰等一些条件比较恶劣的环境，与金属传感器相比具有更强的耐久性； 2 现代的大型或超大型结构通常为数公里、数十公里甚至上百公里， 要通过传统的监测技术实现全方位的监测是相当困难的，而且成本较高， 但是通过布设具有分布式特点的光纤传感器，光纤既作为传感体又作为传 输介质，可比较容易实现长距离、分布式监测； 3 光纤本身轻细纡柔，光纤传感器的体积较小、重量较轻，便于布设 安装，此外，将其埋入结构物中不存在匹配的问题，对埋设部位的材料性 能和力学参数影响较小； 4 分布式光纤最显著的优点就是可以准确地测出光纤沿线任意点上 的应力、温度、振动和损伤等信息，无需构成回路； 5 分布式光纤传感系统的测量精度与空间分辨力一般存在相互制约 关系； 6 检测信号一般较微弱，因而要求信号处理系统具有较高的信噪比； 7 由于在检测过程中需进行大量的信号加法平均、频率的扫描、相位 的跟踪等处理，因而实现一次完整的测量需要较长的时间【9】。 13分布式光纤传感器的发展现状 分布式光纤传感技术是70年代末提出的，它是随着现在光纤工程中仍 应用十分广泛的光时域反射 OTDR 技术的出现而发展起来的。在这短短的 I几年里，产生了一系列分布式光纤传感机理和测量系统，并在多个领域 得以逐步应用。目前，这项技术已成为光纤传感技术中最具前途的技术之 一。 美国开始光纤传感器的研究最早 大约是1977年 ，投资最大，仅1983 年就投资1214亿美元，主要集中在光纤传感器系统 Foss 、现代数字光 监控 AEM 等计划上口o。英国政府特别是贸易工业部 DTI 十分重视光纤传 感技术，早在1982年由该部为首成立了英国光纤传感器合作协会 OSCA 。 第1章绪论 德幽的光纤陀螺的研究规模和水平仅次于美国而孱世界第二位。法困、瑞 十、意大利等国也开展了光纤传感器的研究工作。日本制定了19791986 年“光应用计划控制系统”的七年规划，投资70亿美元i“。 在应力、应变检测方面，美国佛蒙大学1992年将分布式光纤应力应变 传感器安装在成努期基河水电站坝内，以监测未来五十年内水坝的安全性， 该传感器可实时报告大坝遭受洪水和巨大震动后的情况】。Escoder等在混 凝土梁的三点弯曲试验中，将单模光纤传感器贴于梁表面和埋入粱内，使 用干涉技术测量其应变，所得结果显示了在不改变正常浇筑情况下，将光 纤埋入混凝土构件的可行性【121。Hindriek等将单模光纤埋入混凝土和土壤 的飞行跑道上，检测其应力分布【13l。 我国光纤传感器的第一次全国会议是在1983年，到目前为止，虽有长 足进展，但离发达国家的研究水平仍存在不小的差距。在应力、应变检测 方面，也有较深入的研究。 重庆大学“国家教委光电技术及系统开放实验室”于1995年获准国家 自然科学基金资助，应变传感机理选用布拉格光栅 FGB 。布拉格光栅是 国际上光纤传感技术的前沿热点。它属于相位型，借助光栅中心波长的漂 移，感知环境参量 应变、温度等 ，灵敏度高，抗干扰能力强，传感结构 简单，易于实现准分布检测。清华大学电子工程系近年也开展了混凝土应 变光纤传感技术的研究，重点在梳状光栅型传感器，用于混凝土表面应变 测试试验，已取得较好效果。由于我国在这一领域起步较晚，与国外相比 有一定的距离，目前基本上处于实验室研究阶段。 14分布式光纤传感的几种方法 分布式光纤传感技术是基于光纤工程中广泛应用的光时域反射 OTDR 技术发展起来的种新型传感技术，由于它具有其它传感技术所无 法比拟的优点，因此成为目前传感技术研究领域的热点【141。从上世纪七十 年代末提出到现在短短二十几年里，分布式光纤传感技术得到了很快发展， 并在以下四个方面取得了突破： 1 基于瑞利散射的分布式光纤传感技术； 热山大学r学硕士学位论文 2 基于拉曼散射的分布式光纤传感技术； 3 基于布里渊散射的分布式光纤传感技术； 4 基于前向传输模耦合的分布式光纤传感技术。 141 基于瑞利散射的分布式光纤传感技术 在注入光功率不高的情况下，光纤材料分子的布朗运动将产生声学噪 声，当这种声学噪声在光纤中传播时，其压力差将引起光纤材料折射率的 变化，从而对传输光产生自发散射作用，光纤中的光散射主要包括瑞利散 射 RayleighScattering 、拉曼教射 Raman Scattering 三种类型的光散射。 dB。 光纤中最强的散射过程是瑞利散射，但它也大约只是入射光的45 从物理上来讲，瑞利散射是由光纤中非传播的局域密度的不均匀和成分的 不均匀所致博1。在利用后向瑞利散射的光纤传感技术中，一般采用光时域 反射 OTDR 结构来实现被测量的空间定位，典型传感器的结构如图1-1所 示。依据瑞利散射光在光纤中受到的调制作用，该传感技术可分为强度调 制型1叫和偏振态调制型l】。它们分别利用光纤的吸收、损耗、瑞利散射系 数和在光纤中传播光波的偏振态受外界物理量的调制来实现外部物理量的 传感测量的。基于后向瑞利散射的传感技术是现代分布式光纤传感技术的 基础，它在80年代初期得到了广泛的发展，然而由于该技术测量精度低、 传感距离短，目前关于这方面的研究报道越来越少。 被测场 参芈一1一忍。韭 一 一一 fi事吐o!。粪翌理L卜、1光电转换J 图1-1采用光时域反射 OTDR 结构的典型传感器 Fig1-1 sensor timedomain Typicalusingoptical reflection OTDR structure 第1章绪论 142基于拉曼散射的分布式光纤传感技术 当光波通过光纤时，光纤中的光学光子和光学声子产生非弹性碰撞， 产生拉曼散刺过程，在光谱图上拉曼散射频谱具有两条谱线，分别分布在 入射光谱线的两侧。其中，波长大于入射光为斯托克斯光，波长小于入射 光为反斯托克斯光。自发拉曼散射中，托克斯光 Stokes 与反斯托克斯光 密的理论推导四1 ， 、4， P亏 11 R口 ：互I L，掰 式中 月 71 反斯托克斯与斯托克斯光强之比； y。斯托克斯光波数； k反斯托克斯光波数； h普朗克常数； c真空中光速： y拉曼频移： k波尔兹曼常数； 丁环境的绝对温度； 由上式可以看出自发拉曼散射中反斯托克斯与斯托克斯光强之比仅是 介质所处温度的函数，而与注入光源的光功率等其它条件无关。因此，拉 曼散射光的传感系统大多用来测量温度。图卜2是该类传感系统的基本框 图。 基于拉曼散射的分布式温度传感技术是分布式光纤传感技术研究中较 为成熟的一项技术。对该技术开展研究工作的主要有英国的King大学，中 国的重庆大学和中国计量学院19211。目前，该类传感器的一些产品已出现 在国际、国内市场，其空间分辨率和温度分辨率已分别达到1nl、1，测 krn。 量范围4-8 此外Farries和Rogers还提出了基于受激拉曼散射的分布式光纤传感技 术，处于传感光纤两端的Nd：YAG激光器和HeNe激光器分别发出一波长为 燕山大学工学硕士学位论文 617 nm的脉冲光和一波长为633m的连续光f22l。由于两束光的频率差处 于喇曼放大的增益谱内，连续光将受到脉冲光的喇曼增益放大作用。由丁 喇曼增益对脉冲光和探测光的偏振态极其敏感，而两束光的偏振态能被光 纤上的横向应力所调制，因此利用连续光的强度和光在光纤中的传播时间 就可获得横向应力在光纤上的分布。 l一一 传感， 纤 波分复用器 托克斯蔼， J 反斯托克斯光 检测器 微处理器 图1-2基于自发拉曼散射的分布式光纤温度传感器原理框图 Theschematicofdistribmed Fig12 diagram optical fiber sensorbasedOn Rarnan temperature spontaneousscattering 143基于前向传输模耦合的分布式光纤传感技术 该传感器的一般形式是，光的入射与探测分别处于光纤的两端。如果 传感光纤支持不同传播速度的两种传输模，那么在定外界条件的作用下， 光纤本征传输模的一部分能量就会耦合到另一传输模中去。因此在光纤另 端输出的耦合模的强度就能反映出被测量的大小，两传输模之间的延迟 时问则反映出藕合点的位置。 144基于布里渊散射的分布式光纤传感技术 在光纤中传播的光波，其大部分是前向传播的，但由于光纤的非结晶 材料在微观空间存在不均匀结构，有-d部分光会发生散射。布里渊散射 是光波与声波在光纤中传播时相互作用而产生的光散射过程，在不同的条 件下，御旱渊散射又分别以自发散射和受激散射两种形式表现出来。 第1章绪论 性作为分布式应变和温度传感以来，在世界范围内，众多研究人员展丌了 基于布里渊散射的传感系统的研究，取得了可喜的成绩。目前，基丁布里 渊散射的温度和应变传感技术的研究主要集中在三个方面： 1 基于布里渊光时域反射 BOTDR 技术的分布式光纤传感技术； 2 基于句罩渊光时域分析 BOTDA 技术的分布式光纤传感技术： 3 基于布里渊光频域分析技术 BOFDA 的分布式光纤传感技术。 l 441 基于BOTDR技术的分布式光纤传感技术基于BOTDR的分布式 光纤传感系统与在光纤测量中广泛应用的光时域反射计 OTDR Xj类似，传 统的基本框图如图13所示。 图1-3基于BOTDR的分布式光纤传感系统 Thedistributedfiber basedonBOTDR Fig1-3 opticalsensingsystem 在BOTDR中，当脉冲光在光纤中传输时，在光纤的脉冲光发送端就可 以检测到由布里渊散射产生的背向散射光，背向散射光与脉冲光之间的时 间延迟提供对光纤的位置信息的测量，背向散射光的强度提供对光纤的衰 减的测量。由于布里渊散射受温度和应变的影响，因此通过测量布里渊散 射便可以得到温度和应变信息。传统方法测量布里渊谱线是利用法布里 罗德干涉仪，但由于干涉仪工作不稳定且自发布里渊散射信号相当微弱 LL 瑞利散射约小两个数量级 ，检测比较困难，因此，测得的布里渊频移往往 不够准确。 渊信号的检测和分布式温度、应变测量，并获得令人满意的试验结果23”l。 改进相干检测方法得到了相干自外差BOTDR系统，其原理图示于图1-4。 连续相干光被分为探测光和参考光两束。探测光被调制成脉冲光并注 入移频环路，移频环路包括一个掺铒光纤放大器 EDFA 和一个声光移频器 燕山大学工学硕十学位论文 fA02 。在环路中循环一定次数后，探测脉冲可以获得频移量为K，近似 等于布旱渊频移K。探测脉冲功率经EDFA放大至约20dBm，然后注入测 试光纤。测试光纤中的自发布里渊后散光进入外差接收机，参考光作为本 振光。由于布罩渊散射使布里渊散射脉冲产生下移频，其频率与参考光频 率基本相当，外差拍频Kk可以降低到小于100MHz，这是传统外差接 收机的典型有效频带。另外，通过调节移频环路中的声光移频+厂，可以 精确调整探测光频移K。改变探测光频移K可以得到布里渊频谱。 频移环路 虬一心平衡外差接收机 图14相干自外差BOTDR系统原理框图 Theschematicofcoherent BOTDR Fig1-4 diagram self-heterodynesystem 相干自外差BOTDR系统的优点为：只需在光纤一端测量，应用方便； 单个激光器实现自外差工作，容易精确控制脉冲光与连续光的频差；若本 振光功率足够大，可获得最小可探测光功率；外差接收机加窄带滤波器可 提高频率分辨率；用电子滤波器可以将布里渊散射光信号与瑞利后散光信 号分开。 144 2基于BOTDA技术的分布式光纤传感技术BOTDA最初是作为一 种没有破坏性的光纤损耗测量技术而提出的，在明确应变和布里渊频移之 间的相互关系之后，BOTDA便发展成为一种应变测量技术。当两束泵浦光 在光纤中反向传播，并且二者的频差等于布罩渊频移时，弱的泵浦信号 第1章绪论 将被强的泵浦信号放大，称之为布里渊受激放大作用。BOTDA技术便应用 了这一原理，采用两个光源分别作为泵浦脉冲光和探测连续光，其信号可 以是布里渊增益信号，也可以是布里渊损耗信号。其基本框图如图15所示 图15基于BOTDA的分布式光纤传感系统框图 ofdistributed basedOnBOTDA 1-5、The fiber Fig diagram opticalsensingsystem 当光纤的某一部分发生应变时，那里的布里渊频移发生改变，结果引 起这部-h。BOTDA信号的急剧衰减。调谐使入射泵浦光和探测光之间的频差 等于改变后的布里渊频率，便能接收到该点的布里渊散射信号。因此，利 用BOTDA，可以测到光纤沿线任一点的布罩渊散射频移，应用布里渊频移 与应变之间的关系，便可以得到光纤沿线任一点的应变分布，并且这种方 法的测量精度也较前两种方法高。 与其它方法相比，在其它条件相同时，布罩渊损耗信号能够测量的距 离长，因为脉冲光在沿光纤中传播时被放大，因此利用布里渊损耗信号的 测量具有定的优越住1261。BOTDA系统的显著特点是动态范围大，测量 精度高。但系统较复杂，BOTDA的泵浦激光和探测激光必须放在被测光缆 的两端，因而给实际应用带来一定的困难；BOTDA技术不能 91lI断点，应用 条件受到限制。 144_3基于BOFDA技术的分布式光纤传感技术基于布里渊频域分析 技术 BOFDA I拘分布式光纤传感技术是由德国的DGarus等人提出的种 新型的分布式光纤传感技术【2”，实验系统基本框图如图1-6所示。 应变的传感，但被测量空间定位不是传统的光时域反射法，而是通过传感 光纤的复合基带传输函数来实现的。 9 燕山大学j二学硕十学何论文 传感光纤 I, o 坠p 匾糕篡翌谢丁一i 隰工一丁 心1-6基于BOFDA的分布式光纤传感系统框幽 The ofdistributedfiber basedonBOFDA system Fig1-6 diagram opticalsensing 15课题来源和主要研究内容 j51课题来源 本课题来源于燕山大学校长基金项目：分布式光纤应变传感系统研究。 15，2本文主要研究内容 本文围绕基于布里渊散射光分布式光纤应变传感系统的理论模型和实 用化的各个关键技术环节，开展了以下几个方面的工作： 1 分提了分布式光纤应变传感器研究的国内外进展和现状，对各项方 案的性能、实现难度进行了比较分析，最终确定技术方案； 2 对分布式光纤应变传感系统理论进行详细分析，着重讨论受激布里 渊散射的理论，分布式光纤应变测量的原理，数学建模中各个参数的计算： 31给出了一种基于布里渊散射光的分布式光纤应变传感系统的设计 方案，并对系统的各部分做了详细分析； 41讨论了传感系统中的关键技术，为分布式光纤传感系统的优化理论 提供了保障； 5 进行了分布式光纤应变传感系统中的部分实验。得到实验结果，为 进一步研究奠定了基础。 第2章布里渊分布式光纤应变传感机理 第2章布里渊分布式光纤应变传感机理 基于背向布里渊散射的分布式光纤应变传感器是利用激光探测脉冲在 光纤中发生的非线性效应来实现对光纤应变的分布式测量。本章从光纤中 的布罩渊散射现象入手，介绍光纤布里渊散射的定量描述，揭示布里渊散 射与光纤应变和温度的关系，确定实际应用中受激布罩渊光与光纤应变的 关系，并且确定受激布里渊散射的条件。依据探测脉冲在光纤中传输所需 的时间，建立时间与空间位置的相应关系，揭示分布式光纤测量应变的原 理。 21光纤中布里渊散射 211光纤中的光散射 当光波在介质中传播时，大部分是前向传播的，有一小部分会偏离原 来的传播方向而发生散射。对传导光波的光纤而言，其散射主要是光纤中 非结晶材料在微观空间的颗粒状结构和玻璃中存在的像气泡这种不均匀结 构所引起的，在散射过程中，散射光不仅在强度、方向上与泵浦光不同， 而且部分散射光的偏振态、频谱特征与泵浦光也不同圆。如图2。l所示 VWW鼢弧 图2-1光纤中的光散射 in fiber Fig2-1Lightscatleringoptical 从量子理论的观点来看，光散射是光子与传输介质中的粒子发生弹性 燕山大学工学硕士学位论文 或非弹性碰撞引起的。研究发现，光纤中的光散射主要包括由光纤中折射 率分布不均引起的瑞利散射 RayleighScattering ，由光学声子引起的拉曼散 Scattering 射 RamanScattering 和由声学声子引起的布里渊散射 Brillouin 三种类型的光散射。其中，瑞利散射是由于光与物质发生的弹性散射，散 射光频率不发生变化，而拉曼散射和布里渊散射是光与物质发生的非弹性 散射，其散射光频率发生变化，它们的频谱分布如图22所示。 瑞利散射光 圈2-2散射光中光的频率和光强分布 and distribution Fig2-2Frequencyintensity ofscatteringlight 在光纤被向散射频谱分布图中，激发线两侧的频谱是成对出现的，而 瑞利散射光是由光与物质发生弹性散射所以它的频率不变，在三种散射光 中光强也是最强的。在激发线左侧，光的频率低于激发光，这种散射光为 斯托克斯光 Stokes ；在激发线右侧，光的频率高于激发光，这种散射光为 反斯托克斯光 antiStokes 。拉曼散射与布里渊散射分别对称位于激发线的 两侧，离激发线近一些的是布罩渊散射光，其光强也较拉曼散射光强。下 面对布里渊散射基本理论加以论述。 212光纤中自发布里渊散射 在19121922年间，布旱渊对具有声波密度起伏的光散射谱进行了计 算【29】。从理论上预言了这种效应。直到1930年，EGross在液体中首先观 对于平筏位置的小位移 在介质中传播时，因声波波长远大于晶格常数，所 以，长波声学模所涉及的仍是单胞中所有原子的同位相的运动，即约在100 个单胞范围内，原子位移近似相同。因此，仍可以用弹性连续模型描述、 第2章布里渊分布式光纤应变传感机理 处理该类问题。 原子间相对位移引起的形变为：“F a“，Su，即第f个原子 或元胞 受到第J个原子 或元胞 的作用而发生的位移，由此引起弹光系数的改变， 进而引发介电常数的变化 瑟 。也就是折射率n出现同步的变化占”，该 过程可表示为以F的步骤 “o寸“i一,qp斗出哼砌 声波引起折射率的正弦变化以声速u：竺在介质中传播 见图2-3 。 口 d。P m旷 一q鼍 t。一 k。tOs 图23声波引起折射率民变化，而且以声速u 竺传播 q Soundwavecauses index Fig2。3 changeofrefractiveJ。， and atsonic u 竺 propagatesspeed q 1一 该作用如同光栅 常称为相光栅 ，其光栅常数为b 车车，q是声学声 Jq| 子 或磁振子自旋波 的波矢。激元激发中的玻色子 声子或磁振子 引起的 非弹性光散射就是布里渊散射13”。自发布里渊散射可用量子物理学解释如 F：一个泵浦光子转换成一个新的频率较低的斯托克斯光子并同时产生一 个新的声子；同样地，一个泵浦光子吸收一个声子的能量转换成一个新的 频率较高的反斯托克斯光子。因此在自发布里渊散射光谱中，同时存在能 量相当的斯托克斯和反斯托克斯两条谱线，其相对于入射光频移大小与光 纤材料声子的特性有直接关系。而光纤的应变、温度决定了光纤材料声予 的特性，另外光纤材料的声子特性与自发布里渊散射的频移有直接关系。 经证明得到光纤的应变、温度分别与自发布里渊散射呈良好的线性关系， 因此可以通过测量自发布里渊散射光的频移来得到光纤的应变、温度的数 值，从而达到检测目的。因为本文所介绍的传感系统采用对受激布里渊散 13 燕山大学工学硕士学位论文 射光进行检测，所以省去对自发布里渊散射光的详细描述，下面对受激布 里渊散射光进行详细介绍。 213光纤中受激布里渊散射 受激布里渊散射可用量子物理解释如下：当泵浦光在光纤中传播时， 其自发布里渊散射光沿泵浦光相反的方向传播，当泵浦光的强度增大时， 自发布里渊散射的强度增加，当增大到一定程度时，泵浦光通过电致伸缩 效应产生声波，然后引起介质折射率的周期性调制。泵浦波引起的折射率 光栅通过布拉格衍射散射泵浦光，由于多普勒位移与以声速移动的光栅有 关散射光产生了一个斯托克斯光予和一个声频声子，这就是受激布罩渊散 射 SBS 。其过程如图 24 所示。 布里渊散射 多 相互作用与电致效应 图2-4受激布里渊散射过程示意图 ofstimulatedBrillouin Schematic Fig2-4 diagram scatteringprocess 根据场的量子理论，可以将受激散射过程看作是光子场与声子场之间 的相干散射过程。此时，入射光子、散射光子和表征声波场量子化的准粒 子 声子 三者之间必须满足能量守恒和动量守恒条件【321。存在两种散射过 程。 第一种过程是湮灭一个入射光予，同时产生一个散射光子和一个感应 声子，其能量和动量关系为 v。