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光电工程 2022年第9期49卷 4-24页

作者：李天夫巴德欣周登望任玉丽陈超张洪英董永康哈尔滨理工大学黑龙江省量子调控重点实验室测控技术与通信工程学院哈尔滨工业大学可调谐(气体)激光技术国家级重点实验室哈尔滨工业大学光学工程流动站和空间光学工程研究中心

前向受激布里渊散射(F-SBS)是光纤中重要的三阶非线性效应，是进行外界物质识别和分析研究光纤物理特性的有力手段，成为近年研究的热点。本文通过对光纤中前向受激布里渊散射研究进展的调研和分析，整合了F-SBS的主要理论和传感原理，... 详细信息

前向受激布里渊散射(F-SBS)是光纤中重要的三阶非线性效应，是进行外界物质识别和分析研究光纤物理特性的有力手段，成为近年研究的热点。本文通过对光纤中前向受激布里渊散射研究进展的调研和分析，整合了F-SBS的主要理论和传感原理，回顾了基于相位解调和能量转移探测的F-SBS测量手段，并重点介绍了本地光相位追溯技术、光力时域反射技术和光力时域分析技术等分布式传感技术。随着F-SBS传感器的逐渐实用化，对于F-SBS的高精度、高空间分辨力分布式测量的需求愈发显著，这将是未来光纤中前向受激布里渊散射的主要研究方向。

关键词：前向受激布里渊散射光纤传感光力时域分析非线性光学

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基于模间克尔四波混频和前向布里渊散射的分布式光纤传感研究

基于模间克尔四波混频和前向布里渊散射的分布式光纤传感研究

引用

作者：刘黎明四川师范大学

学位级别：硕士

受激布里渊散射（Stimulated Brillouin scattering,SBS）、布里渊动态光栅（Brillouin dynamic grating,BDG）、四波混频（Four-wave mixing,FWM）是光纤中非线性散射的典型种类。一方面,基于SBS与BDG的高分辨、长距离温度应变和双折... 详细信息

受激布里渊散射（Stimulated Brillouin scattering,SBS）、布里渊动态光栅（Brillouin dynamic grating,BDG）、四波混频（Four-wave mixing,FWM）是光纤中非线性散射的典型种类。一方面,基于SBS与BDG的高分辨、长距离温度应变和双折射传感器应用前景广阔,相关研究较为成熟;然而据我们所知,目前尚未见到基于FWM的分布式光纤传感相关报道。另一方面,前向受激布里渊散射（Forward SBS,FSBS）分布式传感器的研究成为近年来光纤传感领域的前沿热点之一。FSBS特有的横向声波,不仅能完成温度和应变测量,还能探测包层外界液体声阻抗,在化学物质分辨等领域具有重要应用潜力;然而该类传感器目前仍面临增益系数低导致信噪比（Signal-to-noise ratio,SNR）不足等制约传感距离的问题。针对上述问题,本文工作分为两部分:一方面,建立了保偏光纤（Polarization maintaining fiber,PMF）模间克尔四波混频（Kerr FWM,KFWM）理论模型;在此基础上提出了基于该机理的分布式温度应变传感新思路。另一方面,提出一种基于波长分离的光力时域分析（Opto-mechanical time domain analysis,OMTDA）分布式声阻抗传感SNR增强新方案。主要研究内容与创新点总结如下:（1）提出一种基于PMF模间KFWM的分布式温度应变传感新机理,其物理机制与已报道的BDG和模间FSBS具有一定差异。借鉴单模光纤FWM理论,详细建立了PMF模间KFWM散射理论模型,推导了激活脉冲峰值功率、探测功率、空间分辨率、波矢失配等关键参量对散射谱强度的影响公式,并理论估计了温度应变传感灵敏度。实验方面,在370 MHz泵浦-斯托克斯激活脉冲对频差条件下,通过检测双折射变化,完成了温度灵敏度（-0.431 MHz/℃）和应变灵敏度（0.067 MHz/10μ?）的分布式测量,且理论与实验吻合较好。作为概念验证,在210 m长PMF上展示了5 m空间分辨率的分布式测量。此外,理论分析表明:扫描探测-激活脉冲频差时,其温度应变灵敏度相比PMF-BDG有明显增强。该工作对于构建新型高灵敏温度应变传感器具有重要意义。（2）提出一种基于波长分离OMTDA的分布式声阻抗传感SNR增强新方案。该方案中连续光和激活脉冲光在波长域上分离,有效降低了激活脉冲与连续探测光通过背向受激布里渊散射（Backward SBS,BSBS）作用造成的串扰;同时降低了任意波形发生器的带宽需求。采用激活和读取脉冲分离技术,避免了激活脉冲非线性效应带来的不利影响。读取脉冲使用单边带调制形式,一定程度上削弱了双边带调制导致注入峰值功率过大引起的非线性影响问题。由于OMTDA具有强烈的相敏特性、易受到读取脉冲非线性效应的影响,研究了4.5 km长标准单模光纤上,激活和读取脉冲分支初始相位差、读取脉冲峰值功率对散射谱特性的影响,并分析了其物理机理。此外,实验测量了去除涂覆层部分置于空气和无水乙醇中的线宽。该工作对于FSBS传感器SNR提升与距离延伸具有参考意义。

关键词：模间克尔四波混频前向受激布里渊散射光力时域分析光纤传感

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