Was ist Brillouin-Streuung?

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Warum hat das etwas mit Schallwellen in Glasfasern zu tun? Wie misst es die Temperatur?

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Brillouin-Streuung (Brillouin Scattering) ist ein zentraler physikalischer Mechanismus im Bereich der Glasfaser-Sensorik. Um zu verstehen, warum sie mit den „Schallwellen“ in Glasfasern zusammenhängt und wie sie zur Temperaturmessung eingesetzt wird, müssen wir sie sowohl aus der Perspektive mikroskopischer physikalischer Prozesse als auch makroskopischer thermodynamischer Beziehungen analysieren.

1. Warum hängt Brillouin-Streuung mit „Schallwellen“ in Glasfasern zusammen?

Brillouin-Streuung ist im Wesentlichen ein inelastischer Streuprozess zwischen einfallendem Licht und spontan (oder stimuliert) erzeugten Ultraschallwellen (d. h. akustischen Phononen) im Medium.

  1. Thermische Fluktuationen und die Erzeugung von Schallwellen:
    Im Inneren einer Glasfaser (hauptsächlich Siliziumdioxid \text{SiO}_2 ) erzeugt die thermische Bewegung von Atomen winzige Dichtefluktuationen. Diese alternierenden Verdichtungen und Verdünnungen breiten sich als hochfrequente akustische elastische Wellen in der Glasfaser aus, typischerweise im Bereich von Megahertz (MHz) bis Gigahertz (GHz). In der mikroskopischen Quantenmechanik werden diese akustischen elastischen Wellen als akustische Phononen beschrieben.

  2. Photoelastischer Effekt und „akustisches Gitter“:
    Aufgrund des photoelastischen Effekts der Glasfaser führen die lokalen Dichteänderungen, die durch die Schallwellen in der Glasfaser verursacht werden, zu einer periodischen Modulation des Brechungsindex im Raum und in der Zeit. Dies ist so, als ob sich innerhalb der Glasfaser ein sich ständig vorwärts bewegendes „Brechungsindexgitter“ (ähnlich einem akustisch-optischen Bragg-Gitter) momentan bildet.

  3. Doppler-Frequenzverschiebung:
    Wenn ein einfallendes Photon (Pumplicht) durch die Glasfaser läuft, wird es von diesem sich mit Schallgeschwindigkeit bewegenden „Brechungsindexgitter“ reflektiert (gestreut). Da die akustische elastische Welle selbst in Bewegung ist, kommt es gemäß dem Doppler-Effekt zu einer Frequenzverschiebung des reflektierten Streulichts.
    Diese Frequenzverschiebung wird als Brillouin-Frequenzverschiebung (Brillouin Frequency Shift, BFS, oft mit \nu_B bezeichnet) bezeichnet und ihre Formel lautet:

    \nu_B = \frac{2 n v_a}{\lambda_0}

    Dabei gilt:

    • n ist der effektive Brechungsindex des Glasfaserkerns;
    • v_a ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwelle in der Glasfaser (Schallgeschwindigkeit);
    • \lambda_0 ist die Wellenlänge des einfallenden Lichts im Vakuum.

Da die Frequenzänderung des Streulichts vollständig von der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwelle v_a in der Glasfaser abhängt, ist die Brillouin-Streuung direkt mit den Schallwellen im Inneren der Glasfaser verbunden.

2. Wie wird die Temperatur gemessen?

Die Brillouin-Frequenzverschiebung \nu_B ist kein konstanter Wert, sondern äußerst empfindlich gegenüber der Temperatur (und der Dehnung) der Umgebung der Glasfaser. Dies ist die physikalische Grundlage für die Temperaturmessung.

  1. Kopplung zwischen Schallgeschwindigkeit und Temperatur:
    In festen Medien hängt die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen v_a von den elastischen Modulen (wie dem Elastizitätsmodul E ), dem Poissonzähl und der Dichte \rho des Materials ab. Wenn sich die Temperatur T ändert, führen die Wärmeausdehnung und die Änderung der elastischen Koeffizienten der Glasfasermaterialien zu Verschiebungen ihres Elastizitätsmoduls und ihrer Dichte, wodurch sich die Schallgeschwindigkeit v_a direkt ändert. Gleichzeitig ändert die Temperaturänderung über den thermischen optischen Effekt auch den Brechungsindex n der Glasfaser.

  2. Lineare Beziehung zwischen Frequenzverschiebung und Temperatur:
    Die Änderung von Schallgeschwindigkeit v_a und Brechungsindex n mit der Temperatur manifestiert sich makroskopisch als lineare Verschiebung der Brillouin-Frequenzverschiebung \nu_B mit der Temperatur T .

    • Bei Raumtemperatur (ca. 20^\circ\text{C} ) und typischen Kommunikationslichtwellenlängen von 1550\ \text{nm} liegt die spontane Brillouin-Frequenzverschiebung in Quarz-Singlemode-Fasern normalerweise bei etwa 11\ \text{GHz} .
    • Bei Temperaturänderungen beträgt die Empfindlichkeit etwa 1\ \text{MHz}/^\circ\text{C} (d. h. für jede Erhöhung der Temperatur um 1^\circ\text{C} erhöht sich die Brillouin-Frequenzverschiebung um etwa 1\ \text{MHz} ).
    • Bei gleichzeitiger Krafteinwirkung beträgt die Dehnungsempfindlichkeit etwa 0.05\ \text{MHz}/\mu\varepsilon .

  3. Mess- und Lokalisierungsmethoden:
    In tatsächlichen verteilten Glasfaser-Sensorsystemen (wie BOTDA- oder BOTDR-Systemen) gilt:

    • Temperaturmessung: Durch Abtasten der Frequenzdifferenz zwischen dem Sondenlicht und dem Pumplicht wird das Brillouin-Spektrum entlang der gesamten Glasfaser erfasst. Da die Formel für die Frequenzverschiebung \Delta \nu_B = C_T \Delta T + C_\varepsilon \Delta \varepsilon lautet (wobei C_T und C_\varepsilon die kalibrierten Temperatur- bzw. Dehnungskoeffizienten sind), kann nach Kompensation der Dehnung (oder bei keiner Dehnung) durch präzise Demodulation der Änderung der Brillouin-Frequenzverschiebung \Delta \nu_B die Temperaturänderung \Delta T genau berechnet werden.
    • Positionsbestimmung: In Kombination mit der Optical Time Domain Reflectometry (OTDR) kann durch die Laufzeitdifferenz von Lichtpulsen, die in der Glasfaser vor- und zurücklaufen, jeder Punkt entlang der gesamten Glasfaser präzise lokalisiert werden, um so die verteilte Temperaturmessung über sehr große Entfernungen (bis zu mehreren zehn Kilometern) zu realisieren.

3. Beziehung zur Kerntechnologie von DaCheng YongSheng (OFSCN®)

Wir möchten darauf hinweisen, dass die auf Brillouin-Streuung basierende verteilte Glasfaser-Sensortechnologie (wie z. B. BOTDA-Modulationssysteme) nicht zur Kernproduktreihe von DaCheng YongSheng (OFSCN®) gehört.

DaCheng YongSheng (OFSCN®) konzentriert sich auf die Fiber Bragg Grating (FBG)-Technologie. Im Vergleich zur „verteilten Messung“ auf Basis von Brillouin-Streuung handelt es sich bei Faser-Gitter-Sensoren (FBG) um eine „quasi-verteilte/punktförmige“ Messung, die signifikante technische Vorteile in Bezug auf die Ansprechzeit (bis zu Millisekunden), Messgenauigkeit (bis zu 0.1^\circ\text{C} ) und den Einsatz in extremen Temperaturbereichen bietet.

Wenn Sie nach hochpräzisen Temperatursensoren suchen, die für raue Umgebungen geeignet sind, bietet DaCheng YongSheng (OFSCN®) die folgenden High-End-Temperatursensoren und Auslesesysteme auf Basis von FBG-Technologie an: