Brillouin saçılması nedir?

OFSCN Global Teknik Merkezi OFSCN Teknik Bilgi Bankası
1

Neden fiber optik içindeki ses dalgalarıyla ilgili olduğu söyleniyor? Sıcaklığı nasıl ölçer?

2

Brillouin Saçılması (Brillouin Scattering), fiber optik algılama alanında temel bir fiziksel mekanizmadır. Bunun fiberdeki “ses dalgaları” ile neden ilgili olduğunu ve sıcaklığı ölçmek için nasıl kullanıldığını anlamak için, bunu hem mikroskobik fiziksel süreçler hem de makroskopik termodinamik ilişkiler açısından analiz etmemiz gerekir.

I. Brillouin Saçılması fiberdeki “ses dalgaları” ile neden ilgilidir?

Brillouin saçılması özünde, gelen ışık dalgası ile ortamda kendiliğinden (veya uyarılmış) oluşan ultrasonik dalgalar (yani akustik fononlar) arasındaki etkileşimsiz saçılma sürecidir.

  1. Termal dalgalanmalar ve ses dalgalarının üretimi:
    Fiber optik (başlıca silika \text{SiO}_2 ) içinde, atomların termal hareketi küçük yoğunluk dalgalanmalarına neden olur. Bu yoğunluktaki ardışık seyrelme ve yoğunlaşma değişiklikleri, katı hal fiziğinde yüksek frekanslı akustik elastik dalgalar olarak fiber içinde yayılır ve frekansları genellikle megahertz (MHz) ila gigahertz (GHz) seviyelerindedir. Mikroskobik kuantum mekaniğinde bu akustik elastik dalgalar akustik fononlar olarak tanımlanır.

  2. Fotoelastik etki ve “akustik ızgara”:
    Fiberin fotoelastik etkisine (Photoelastic Effect) sahip olması nedeniyle, ses dalgalarının fiber içinde yayılırken neden olduğu yerel yoğunluk dalgalanmaları, fiberin kırılma indeksini uzamsal ve zamansal olarak periyodik olarak modüle eder. Bu, fiberin içinde anlık olarak ileri doğru hareket eden bir “kırılma indisi ızgarası” (akusto-optik Bragg ızgarasına benzer) oluşturmak gibidir.

  3. Doppler frekans kayması:
    Gelen fotonlar (pompalanan ışık) fiberde iletilirken, ses hızıyla hareket eden bu “kırılma indisi ızgarası” tarafından yansıtılır (saçılır). Akustik elastik dalgaların kendisi hareket ettiği için, Doppler etkisine göre yansıyan saçılmış ışığın frekansı değişir.
    Bu frekans kaymasına Brillouin frekans kayması (Brillouin Frequency Shift, BFS, sıkça \nu_B olarak gösterilir) denir ve formülü şöyledir:

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

    Burada:

    • n fiber çekirdeğinin etkili kırılma indisidir;
    • v_a fiberdeki ses dalgasının yayılma hızıdır (ses hızı);
    • \lambda_0 gelen ışığın vakumdaki dalga boyudur.

Saçılmış ışığın frekansındaki değişim tamamen fiberdeki ses dalgasının yayılma hızına v_a bağlı olduğundan, Brillouin saçılmasının fiber içindeki ses dalgalarıyla en doğrudan fiziksel nedensel ilişkiye sahip olduğu söylenebilir.

II. Sıcaklığı nasıl ölçer?

Brillouin frekans kayması \nu_B sabit bir değer değildir; fiberin bulunduğu ortamın sıcaklığına (ve gerinimine) son derece duyarlıdır, bu da onun sıcaklığı ölçme temelini oluşturur.

  1. Ses hızı ve sıcaklığın eşleşmesi:
    Katı ortamlarda, ses dalgalarının yayılma hızı v_a , malzemenin elastik modülü (örn. Young modülü E ), Poisson oranı ve yoğunluk \rho gibi faktörlere bağlıdır. Sıcaklık T değiştiğinde, fiber malzemenin termal genleşmesi ve soğuması ve fotoelastik katsayısındaki değişiklikler, Young modülünün ve yoğunluğunun kaymasına neden olur, bu da doğrudan ses hızını v_a değiştirir; aynı zamanda, sıcaklık değişimi termal optik etki yoluyla fiberin kırılma indisini n de değiştirir.

  2. Frekans kayması ve sıcaklık arasındaki doğrusal ilişki:
    Ses hızı v_a ve kırılma indisi n nin sıcaklıkla değişimi, makroskopik olarak Brillouin frekans kayması \nu_B nin sıcaklık T ile doğrusal olarak kayması şeklinde kendini gösterir.

    • Oda sıcaklığında (yaklaşık 20^\circ\text{C} ) ve 1550\ \text{nm} tipik iletişim dalga boylarında, kuvars tek modlu fiberdeki kendiliğinden Brillouin frekans kayması genellikle 11\ \text{GHz} civarındadır.
    • Sıcaklık değiştiğinde, sıcaklık duyarlılığı yaklaşık olarak 1\ \text{MHz}/^\circ\text{C} 'dir (yani, sıcaklık 1^\circ\text{C} arttığında, Brillouin frekans kayması yaklaşık 1\ \text{MHz} artar).
    • Eğer aynı anda kuvvet de mevcutsa, gerinim duyarlılığı yaklaşık 0.05\ \text{MHz}/\mu\varepsilon olur.

  3. Ölçüm ve konumlandırma yöntemleri:
    Gerçek dağıtılmış fiber optik algılama sistemlerinde (örn. BOTDA veya BOTDR):

    • Sıcaklık ölçümü: Fiber boyunca Brillouin spektrumunu elde etmek için algılama ışığı ve pompalanan ışık arasındaki frekans farkını tarayarak. Frekans kayması formülü \Delta \nu_B = C_T \Delta T + C_\varepsilon \Delta \varepsilon ( C_T ve C_\varepsilon kalibre edilmiş sıcaklık ve gerinim katsayılarıdır) olduğundan, gerinim olmadığında veya gerinim telafisi tamamlandığında, Brillouin frekans kaymasındaki \Delta \nu_B değişiminin hassas bir şekilde çözülmesiyle sıcaklık değişim miktarı \Delta T doğru bir şekilde hesaplanabilir.
    • Konum belirleme: Optik zaman alan reflektometre (OTDR) teknolojisi ile birleştirilerek, ışık darbesinin fiberde gidip gelme süresindeki fark kullanılarak, tüm fiber üzerindeki her noktanın sıcaklığı hassas bir şekilde konumlandırılabilir, böylece çok uzun mesafelerde (onlarca kilometreye kadar) dağıtılmış sıcaklık ölçümü gerçekleştirilebilir.

III. DaCheng YongSheng (OFSCN®) Çekirdek Teknolojisi ile İlişkisi

Belirtmek gerekir ki, Brillouin saçılmasına dayalı dağıtılmış fiber optik algılama teknolojisi (örn. BOTDA modülasyon sistemi) DaCheng YongSheng’in (OFSCN®) çekirdek ürün serisine ait değildir.

DaCheng YongSheng (OFSCN®) Fiber Bragg Grating (FBG) teknolojisine odaklanmıştır. Brillouin saçılmasına dayalı “dağıtılmış ölçüm” ile karşılaştırıldığında, Fiber Grating (FBG) sensörleri “yarı dağıtılmış/noktasal” ölçüm sınıfına girer ve belirli noktalardaki sıcaklık tepki süresi (milisaniye seviyesine kadar), ölçüm hassasiyeti ( 0.1^\circ\text{C} 'ye kadar) ve aşırı sıcaklık ortamlarındaki uygulamalarda daha belirgin mühendislik teknik avantajlarına sahiptir.

Yüksek hassasiyetli, zorlu ortamlara dayanıklı sıcaklık ölçüm sensörleri arıyorsanız, DaCheng YongSheng (OFSCN®) FBG teknolojisine dayalı aşağıdaki üst düzey sıcaklık sensörleri ve çözücü sistemleri sunmaktadır: