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布里渊动态光栅原理及其在光纤传感中的应用

更新时间：2019-12-25 15:58:08 大小：3M 上传用户：zhiyao6查看TA发布的资源 标签：光纤传感 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

自从2007年布里渊动态光栅被首次提出用于实现光存储以来,该技术得到了国际上的广泛关注和研究.布里渊动态光栅本质上是由相干声波场激发的折射率光栅,一般情况下两束抽运光(频率差等于光纤的布里渊频移)以相同的偏振态从光纤两端注入到光纤中,通过受激布里渊散射效应激发出相干声波场,即形成布里渊动态光栅.光纤布里渊动态光栅因具有全光产生、参数灵活可控的优点,已被广泛研究应用于光纤传感、光纤特性表征、光存储、全光信号处理、微波光子学和高精度光谱分析等.本文分析布里渊动态光栅产生和探测原理,重点探讨在高性能分布式光纤传感上的应用,这些应用包括高灵敏度温度和应变分布式传感、温度和应变同时解调、分布式横向压力传感、分布式静压力(气压或液压)传感、高空间分辨率分布式传感和高精度光谱分析.


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物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 7 (2017) 075201  
专题: 光纤传感  
∗
布里渊动态光栅原理及其在光纤传感中的应用  
董永康† 周登望 滕雷 姜桃飞 陈曦  
(哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室, 哈尔滨 150001)  
( 2016 年 10 月 9 日收到; 2016 年 11 月 29 日收到修改稿 )  
自从 2007 年布里渊动态光栅被首次提出用于实现光存储以来, 该技术得到了国际上的广泛关注和研究.  
布里渊动态光栅本质上是由相干声波场激发的折射率光栅, 一般情况下两束抽运光 (频率差等于光纤的布里  
渊频移) 以相同的偏振态从光纤两端注入到光纤中, 通过受激布里渊散射效应激发出相干声波场, 即形成布里  
渊动态光栅. 光纤布里渊动态光栅因具有全光产生、参数灵活可控的优点, 已被广泛研究应用于光纤传感、光  
纤特性表征、光存储、全光信号处理、微波光子学和高精度光谱分析等. 本文分析布里渊动态光栅产生和探测  
原理, 重点探讨在高性能分布式光纤传感上的应用, 这些应用包括高灵敏度温度和应变分布式传感、温度和应  
变同时解调、分布式横向压力传感、分布式静压力 (气压或液压) 传感、高空间分辨率分布式传感和高精度光谱  
分析.  
关键词: 受激布里渊散射, 布里渊动态光栅, 光纤传感  
PACS: 52.38.Bv, 42.79.Dj, 07.07.Df  
DOI: 10.7498/aps.66.075201  
现 kHz 量级的动态测量 [11]. 这些技术的进步大幅  
拓展了 BOTDA的应用领域, 使其可以应用于石油  
天然气管道和存储罐的漏油和变形监测, 海底或陆  
地高压电缆的温度和应变监测, 地质灾害的分布式  
监测, 桥梁、大坝和隧道等大型建筑物的结构健康  
监测, 飞行器和航天器的飞行状态监测以及火灾  
报警等.  
1 引  
言
分布式布里渊光纤传感最早于 20世纪 80年代  
末期提出, 这种技术提出的最初目的是发展一种新  
型的光时域反射计用于测量光纤的损耗 [1]. 很快  
人们发现它可以用于传感, 因为布里渊散射对温  
度和应变都很敏感 [2−4]. 在传感方案上, 主要包括  
布里渊光时域分析 (Brillouin optical time-domain  
analysis, BOTDA) 和布里渊光时域反射 [5,6], 布里  
渊光相关域分析和布里渊光相关域反射 [7,8]. 相关  
域布里渊传感技术的主要优势是具有高达 1 mm  
的空间分辨率, 但是由于是逐点测量导致存在测  
量时间较长和测量距离较短的问题. 时域布里渊  
传感技术近年来发展迅速, 尤其是 BOTDA技术在  
空间分辨率、测量距离和测量时间上都有较大的  
但是, 传统的分布式布里渊光纤传感仍然有些  
局限, 比如测量的物理量仅限于温度和应变, 而且  
◦
测量的精度限制在 1 C 或 20 µε. 近年来, 新型的  
布里渊动态光栅(Brillouin dynamic grating, BDG)  
技术引起了人们的极大兴趣, 可以实现更高精度和  
多参量的分布式光纤传感. 2007 年, 美国罗切斯特  
大学 Boyd 等 [12] 在《Science》上撰文首次提出采用  
BDG 实现光存储, 该方法的思想是把光信号存储  
到声波中 (即布里渊动态光栅), 然后通过读取光脉  
冲再把声波信号还原成光信号, 从而实现了光信号  
的存储. 2012 年, 瑞士联邦工学院的 Thevenaz 课  
[9]  
进步, 目前空间分辨率可以达到 2 cm , 测量距离  
达到 150 km , 并且测量时间大为减小, 可以实  
[10]  
∗
国家重大科学仪器设备开发专项 (批准号: 2013YQ040815)、国家自然科学基金 (批准号: 61575052, 61308004) 和国家高技术研究  
发展计划 (批准号: 2014AA110401) 资助的课题.  
†
通信作者. E-mail:
© 2017 中国物理学会 Chinese Physical Society  
075201-1  
物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 7 (2017) 075201  
布式气压传感 [21,22]  
题组 [13] 提出了基于 BDG 的可调谐、可重构的微波  
光子滤波器, 滤波器的中心频率和带宽均可以通过  
改变 BDG 的参数来调谐; 2013 年, 该课题组又提  
出了基于 BDG 的全光信号处理, 成功地直接在光  
域上实现了信号的微分、积分和时间反演 [14]. 在  
分布式光纤传感应用方面, 2009 年, 日本东京大学  
Hotate 等 [15,16] 提出基于 BDG 的分布式温度和应  
变光纤传感, 该方法通过 BDG 测量高双折射保偏  
光纤中的双折射的变化实现温度和应变测量, 而且  
测量精度比传统的布里渊频移法高一个量级以上;  
结合 BDG 和布里渊频移两种方法可以实现基于保  
.
本文从理论上探讨布里渊动态光栅产生和探  
测原理, 并综述近些年该技术在高性能分布式光纤  
传感方面应用的研究进展.  
2 理论分析  
BDG 本质上是由相干声波场激发的折射率光  
栅, 如图 1 所示, 一般情况下两束抽运光 (抽运光 1  
和抽运光2, 频率差等于布里渊频移)以相同的偏振  
态 (x-plo.) 从光纤两端注入到光纤中, 通过受激布  
里渊散射效应激发出相干声波场, 即形成BDG; 同  
时, 探测光以正交偏振态(y-plo.)注入到光纤中, 当  
探测光与抽运光 1 的频率差(正比于光纤的双折射)  
满足相位匹配条件时, 就会被 BDG 反射形成反射  
光. 图 1 还给出了四束光波的频率关系, 由于 BDG  
是和高频的抽运光 1 同方向移动的光栅, 反射光和  
探测光之间会有一个多普勒频移, 数值上等于布里  
渊频移.  
偏光纤的温度和应变双参数同时测量技术 [15,17]  
.
2013 年, 我们提出了基于 BDG 实现长距离保偏光  
纤双折射分布式测量方案, 并提出把该方法应用于  
高精度光纤陀螺环的检测 [18,19]; 2014 年, 我们实现  
了基于 BDG 的超高分辨光谱分析的概念性验证实  
验, 实验上获得了 0.5 MHz (4 fm) 的光谱分辨率,  
可用于高精度光纤传感 [20]; 在 2015 年和 2016 年,  
我们分别提出了基于 BDG 的分布式横向压力和分  
࣋
᧗ຎүগАಕꢁBDGꢂ  
ચᤂ1 (x-pol.)  
᧒⍻ꢀ(y-pol.)  
ચᤂꢀꢁ  
x-pol.  
Slow axis  
Аጜ  
৽ሴ
ݹ
(y-pol.)  
x-pol.  
ચᤂꢀꢁ  
ચᤂꢀꢂ  
Fast axis  
x-pol.  
υ−υB+DυBire  
υ+DυBire  
υ
υ−υB  
υ
ଊ฾А  
y-pol.  
Ԧ
࠱
А  
y-pol.  
BDG  
图 1 布里渊动态光栅的激发和探测  
Fig. 1. The excitation and detection of Brillouin dynamic grating.  
(
)
(
)
∂
Γ
B
2
考虑到慢包络幅度近似, 我们可以用由四束光  
波和一个声波场组成的耦合波方程组来描述 BDG  
+
ρ = ig E1E∗ + E∗E4 ei∆kz , (1e)  
a
2
3
∂t  
的激发和探测过程 [23]  
:
其中, Ej(j = 1 : 4) 是光波的电场强度; ρ 为声波  
场强度; nx 和 ny 分别为光纤慢轴和快轴的折射  
率; g0 为光波场间的耦合系数; g 为声光耦合系数;  
(
(
(
)
∂
nx ∂  
α
−
+
E1 = ig0ρE2 − E1,  
(1a)  
(1b)  
∂z  
c ∂t  
2
a
)
ny ∂  
∂
nx ∂  
c ∂t  
α
+
E2 = ig0ρ∗E1 − E2,  
g
= 4gog /Γ 光纤的布里渊增益因子; α 为光纤  
a B  
B
∂z  
2
的吸收系数; ∆k 为四束光波的相位失谐量.  
)
∂
α
−
+
E3 = ig0ρ∗E4 ei∆kz  
−
E3,  
对于由连续抽运光产生的稳态均匀型 BDG,  
我们可以通过简化模型获得 BDG 反射光 E4 的解  
析解. 忽略抽运抽空作用, 抽运光 E1 和 E2 可以认  
为是常数, 其他光波沿光纤的衰减项和时间的求导  
∂z  
c ∂t  
2
(1c)  
(
)
∂
ny ∂  
c ∂t  
α
+
E4 = ig0ρE3 e−i∆kz  
−
E4, (1d)  
∂z  
2
075201-2  

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