展望光纤之外：研究人员展示了光纤传感器的新概念

以色列巴伊兰大学的研究人员展示了一种新的光纤传感器概念，该概念解决了长达数十年的挑战：在标准光纤包层外进行折射率分布映射，光无法到达的地方。该传感器可用于关键基础设施的泄漏检测，以及石化行业、海水淡化厂、食品和饮料生产等领域的过程监控。在这张图片中：沿着两米长的标准光纤对包层外的介质进行分布式映射。通过耦合到光纤包层模式的局部光谱可以清楚地识别浸入水和乙醇中的两个短段。图片来源：Avinoam Zadok 教授

光纤使我们的互联网时代成为可能，因为它们在世界各地承载大量数据。光纤也是一个出色的传感器平台。它们可以达到数百公里，简单地嵌入结构中，并且可以安装在禁止使用电力的危险环境中。然而，光纤传感器也面临着固有的基本挑战。

以色列巴伊兰大学工程学院的博士生 Hagai Diamandi 说：“光线所触及的一切都是我们的王国。” “在那里，我们的意思是说，任何光学测量都要求光应该接触被测介质。” 然而，标准光纤的设计正好相反。“标准光纤由玻璃包层制成，具有更薄的内核，”Diamandi 继续说道。“光在内核中被引导，并尽一切努力防止光泄漏到外面。在大多数情况下，被测试的物质位于更大的包层之外。不幸的是，引导光并没有触及外部世界的大部分。”

一种可能的解决方案是基于同一光纤中的其他传播形式。博士生 Yosef London 解释说：“除了纤芯模式外，光还可以通过填充整个包层在光纤中传播。在这种情况下，它可能会‘感觉到’外面的东西。” 但是，如何让光线从“正常”核心模式切换到那些包层模式？伦敦继续说：“这里有一个问题。耦合到包层模式需要在光纤介质中刻上永久的、周期性的扰动，称为‘光栅’。光栅被写入特定的离散位置。你不能擦除它们或移动它们。 " 因此，包层模式传感器仅限于点测量。

光纤的主要强度传感器是空间分布的分析，其中每个光纤段都作为一个独立的测量节点。直到现在，包层模式还不能支持分布式测量。突破性的想法来自小组中的第三位博士生 Gil Bashan：“除了使用光栅之外，还有一个替代方案。我们可以将两个强光波发射到光纤中。当它们的频率选择正确时，这两个波可以“在非常高的高超声速下驱动光纤核心内的声学振荡。这些声波成为我们的光栅。” 该原理被称为布里渊动态光栅。与永久铭文不同，布里渊动态光栅可以随意开启和关闭。它们也可以限制在任意位置的短段内，并沿光纤扫描。"

在最近发表在Optica上的一篇论文中在期刊上，该小组报告了一种分布式包层模式光纤传感器，这是同类产品中的第一个。为此，他们必须克服相当大的障碍。顾问教授 Avi Zadok 解释说：“芯模和包层模之间的尺寸差异很大。芯模被限制在一个非常狭窄的区域。包层模分布在大 200 倍的区域上。因此，我们担心耦合两种模式之间会很弱且效率低下。” 尽管如此，该团队仍可以在标准未改性光纤的包层边界外精确测量折射率。测量的空间分辨率为八厘米。分析正确识别了浸入水和乙醇中的短纤维部分，并清楚地区分了两者。

Zadok 教授总结道：“我们展示了一种新的光纤传感器概念。它解决了长达数十年的挑战：在标准光纤的包层之外，光无法到达的地方的折射率分布映射。” 该传感器可用于关键基础设施的泄漏检测，以及石化行业、海水淡化厂、食品和饮料生产等领域的过程监控。

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