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以色列巴伊蘭大學(xué)的研究人員展示了一種新的光纖傳感器概念，該概念解決了長達(dá)數(shù)十年的挑戰(zhàn)：在標(biāo)準(zhǔn)光纖包層外進(jìn)行折射率分布映射，光無法到達(dá)的地方。該傳感器可用于關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的泄漏檢測，以及石化行業(yè)、海水淡化廠、食品和飲料生產(chǎn)等領(lǐng)域的過程監(jiān)控。在這張圖片中：沿著兩米長的標(biāo)準(zhǔn)光纖對包層外的介質(zhì)進(jìn)行分布式映射。通過耦合到光纖包層模式的局部光譜可以清楚地識別浸入水和乙醇中的兩個(gè)短段。圖片來源：Avinoam Zadok 教授

光纖使我們的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代成為可能，因?yàn)樗鼈冊谑澜绺鞯爻休d大量數(shù)據(jù)。光纖也是一個(gè)出色的傳感器平臺。它們可以達(dá)到數(shù)百公里，簡單地嵌入結(jié)構(gòu)中，并且可以安裝在禁止使用電力的危險(xiǎn)環(huán)境中。然而，光纖傳感器也面臨著固有的基本挑戰(zhàn)。

以色列巴伊蘭大學(xué)工程學(xué)院的博士生 Hagai Diamandi 說：“光線所觸及的一切都是我們的王國。” “在那里，我們的意思是說，任何光學(xué)測量都要求光應(yīng)該接觸被測介質(zhì)。” 然而，標(biāo)準(zhǔn)光纖的設(shè)計(jì)正好相反。“標(biāo)準(zhǔn)光纖由玻璃包層制成，具有更薄的內(nèi)核，”Diamandi 繼續(xù)說道。“光在內(nèi)核中被引導(dǎo)，并盡一切努力防止光泄漏到外面。在大多數(shù)情況下，被測試的物質(zhì)位于更大的包層之外。不幸的是，引導(dǎo)光并沒有觸及外部世界的大部分。”

一種可能的解決方案是基于同一光纖中的其他傳播形式。博士生 Yosef London 解釋說：“除了纖芯模式外，光還可以通過填充整個(gè)包層在光纖中傳播。在這種情況下，它可能會‘感覺到’外面的東西。” 但是，如何讓光線從“正常”核心模式切換到那些包層模式？倫敦繼續(xù)說：“這里有一個(gè)問題。耦合到包層模式需要在光纖介質(zhì)中刻上永久的、周期性的擾動(dòng)，稱為‘光柵’。光柵被寫入特定的離散位置。你不能擦除它們或移動(dòng)它們。 " 因此，包層模式傳感器僅限于點(diǎn)測量。

光纖的主要強(qiáng)度傳感器是空間分布的分析，其中每個(gè)光纖段都作為一個(gè)獨(dú)立的測量節(jié)點(diǎn)。直到現(xiàn)在，包層模式還不能支持分布式測量。突破性的想法來自小組中的第三位博士生 Gil Bashan：“除了使用光柵之外，還有一個(gè)替代方案。我們可以將兩個(gè)強(qiáng)光波發(fā)射到光纖中。當(dāng)它們的頻率選擇正確時(shí)，這兩個(gè)波可以“在非常高的高超聲速下驅(qū)動(dòng)光纖核心內(nèi)的聲學(xué)振蕩。這些聲波成為我們的光柵。” 該原理被稱為布里淵動(dòng)態(tài)光柵。與永久銘文不同，布里淵動(dòng)態(tài)光柵可以隨意開啟和關(guān)閉。它們也可以限制在任意位置的短段內(nèi)，并沿光纖掃描。"

在最近發(fā)表在Optica上的一篇論文中在期刊上，該小組報(bào)告了一種分布式包層模式光纖傳感器，這是同類產(chǎn)品中的第一個(gè)。為此，他們必須克服相當(dāng)大的障礙。顧問教授 Avi Zadok 解釋說：“芯模和包層模之間的尺寸差異很大。芯模被限制在一個(gè)非常狹窄的區(qū)域。包層模分布在大 200 倍的區(qū)域上。因此，我們擔(dān)心耦合兩種模式之間會很弱且效率低下。” 盡管如此，該團(tuán)隊(duì)仍可以在標(biāo)準(zhǔn)未改性光纖的包層邊界外精確測量折射率。測量的空間分辨率為八厘米。分析正確識別了浸入水和乙醇中的短纖維部分，并清楚地區(qū)分了兩者。

Zadok 教授總結(jié)道：“我們展示了一種新的光纖傳感器概念。它解決了長達(dá)數(shù)十年的挑戰(zhàn)：在標(biāo)準(zhǔn)光纖的包層之外，光無法到達(dá)的地方的折射率分布映射。” 該傳感器可用于關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的泄漏檢測，以及石化行業(yè)、海水淡化廠、食品和飲料生產(chǎn)等領(lǐng)域的過程監(jiān)控。