Warum reagiert dieses Streulicht nur auf die Temperatur? Ist sein Signal sehr schwach?
Im physikalischen Mechanismus der Streuung in Glasfasern ist die Raman-Streuung (Raman scattering) ein ganz besonderes Phänomen der unelastischen Streuung. Im Folgenden werden wir Ihre Fragen zur Temperaturempfindlichkeit und zu den Signaleigenschaften aus den Blickwinkeln des mikroskopischen physikalischen Mechanismus und der Signalstärke beantworten.
I. Warum ist Raman-Streulicht hauptsächlich temperaturempfindlich und nicht verformungsempfindlich (dehnungsunempfindlich)?
Die Raman-Streuung ist im Wesentlichen das Ergebnis eines Energieaustauschs zwischen einfallenden Photonen und optischen Phononen (Molekülschwingungen) im Kristallgitter des Fasermaterials (hauptsächlich Silizglas). Gemäß dem Energieerhaltungsgesetz wird Raman-Streulicht in zwei Komponenten unterteilt:
- Stokes-Licht: Einfallende Photonen übertragen einen Teil ihrer Energie auf das Medium, regen Moleküle in einen höheren Energiezustand an, und die Frequenz des gestreuten Lichts sinkt (Wellenlänge wird länger).
- Anti-Stokes-Licht: Einfallende Photonen absorbieren die Schwingungsenergie von angeregten Molekülen und versetzen sie zurück in den Grundzustand, wodurch die Frequenz des gestreuten Lichts steigt (Wellenlänge wird kürzer).
Die Verteilung der Anzahl von Mikroteilchen auf verschiedenen Energieniveaus folgt der Boltzmann-Verteilung (Boltzmann distribution) der statistischen Physik. Die Dichte der angeregten Moleküle N_{\text{excited}} (die zur Erzeugung von Anti-Stokes-Licht fähig sind) verhält sich zur absoluten Temperatur T wie folgt:
N_{\text{excited}} \propto e^{-\frac{\Delta E}{k_B T}}
Dabei ist k_B die Boltzmann-Konstante, T die absolute Temperatur und \Delta E die Energiedifferenz.
Man sieht also, dass die Anzahl der angeregten Moleküle exponentiell stark von der Temperatur T abhängt. Daher ist die Intensität des Anti-Stokes-Lichts (d. h. die Anzahl der Photonen) extrem empfindlich gegenüber Temperaturänderungen; während das Stokes-Licht, das hauptsächlich von Molekülen im Grundzustand abhängt, nur sehr geringfügig von der Temperatur beeinflusst wird.
In Raman-basierten verteilten Temperatursensorsystemen (Raman-DTS) wird die Temperatur durch Messung des Verhältnisses der Intensitäten des Anti-Stokes-Lichts I_{as} und des Stokes-Lichts I_s demoduliert:
\frac{I_{as}}{I_s} \propto \left( \frac{\nu_{as}}{\nu_s} \right)^4 e^{-\frac{h \Delta \nu}{k_B T}}
Dabei sind \nu_{as} und \nu_{s} die Frequenzen des Anti-Stokes- und Stokes-Lichts, und h \Delta \nu ist die Phononenenergie (Raman-Verschiebung). Dieses Verhältnis eliminiert Gleichtaktstörungen wie Quellensprünge und Biegeverluste und macht es zu einer physikalischen Größe, die nur von der absoluten Temperatur T abhängt.
Warum ist es nicht dehnungsunempfindlich?
Die internen intrinsischen Schwingungsmoden von Siliziumdioxidmolekülen (Molekülbindungs-Schwingungen) werden durch ihre chemische Struktur bestimmt. Äußere mechanische Dehnungen oder Kompressionen (Dehnung) verändern die Schwingungsfrequenzen der Molekülbindungen kaum und ändern auch nicht die Boltzmann-Verteilung. Daher wird die Raman-Streuung durch Verformung praktisch nicht beeinflusst. Im Gegensatz dazu interagiert die Brillouin-Streuung mit akustischen Phononen (kollektive akustische Schwingungen des Gitters). Sie ist extrem empfindlich gegenüber der Dichte und dem Elastizitätskoeffizienten des Mediums, die sich durch Verformung ändern. Daher ist die Brillouin-Streuung sowohl temperatur- als auch dehnungsabhängig.
II. Ist das Signal des Raman-Streulichts sehr schwach?
Ja, das Raman-Streulichtsignal ist extrem schwach und fällt in den Bereich der Detektion schwacher Signale.
Unter den verschiedenen gängigen Streumechanismen in Glasfasern gibt es erhebliche Unterschiede in der Größenordnung ihrer Intensität (Rückstreukoeffizient):
- Rayleigh-Streuung: Elastische Streuung, am stärksten. In Standard-Singlemode-Fasern liegt die Rückstreuintensität im Bereich von etwa 10^{-3} bis 10^{-5} /km der einfallenden Lichtleistung.
- Brillouin-Streuung: Unelastische Streuung, ihre Intensität ist etwa 10\ \text{dB} bis 20\ \text{dB} schwächer als die Rayleigh-Streuung.
- Raman-Streuung: Unelastische Streuung, ihre Intensität ist nochmals etwa 20\ \text{dB} bis 30\ \text{dB} schwächer als die Brillouin-Streuung. Das bedeutet, dass die Raman-Rückstreulichtleistung normalerweise nur im Bereich von 10^{-5} bis 10^{-8} der Energie des einfallenden Impulses liegt (d. h. so niedrig wie -50\ \text{dB} bis -80\ \text{dB}).
Technische Herausforderungen durch extrem schwache Signale:
- Bedarf an hochempfindlichen Empfängern: Die Empfängerseite des DTS-Demodulators muss hochempfindliche Lawinenphotodioden (APD) oder sogar Einzelphotonendetektoren (SPAD) für die photoelektrische Umwandlung verwenden.
- Massive Akkumulationsmittelung: Da das Signal am Rande des Rauschens liegt, muss das System Daten von Zehntausenden von Pulsperioden schnell akkumulieren und mitteln, um ein brauchbares Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) zu erzielen. Dies führt dazu, dass die einzelne Messaktualisierungszeit von Raman-DTS-Systemen normalerweise im Sekundenbereich liegt und keine ultraschnellen Messungen im Kilohertz-Bereich (kHz) wie bei Faser-Bragg-Gittern (FBG) oder Rayleigh-Streuung (OFDR) ermöglicht.
III. Verwandte OFSCN® Verteilte Glasfaser-Temperatursensor-Produkte
Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) stellt nahtlos geschweißte, verkapselte verteilte Glasfaser-Temperatursensoren her, die eine extrem hohe Wärmeleitfähigkeit und mechanischen Schutz vor Druck bieten. Sie liefern hochwertige Glasfaserkabel-Sensormedien für Sensorgeräte, die auf „Raman-Streuung (Raman-DTS)“, „Rayleigh-Streuung (OFDR)“ und „Brillouin-Streuung (Brillouin-DTSS)“ basieren.
Folgend finden Sie verteilte Temperatursensorprodukte, die für verwandte Systeme geeignet sind:
1. OFSCN® 200°C Distributed Fiber Temperature Sensor
Hauptsächlich für die verteilte Faser-Temperaturmessung in Umgebungen von -60\ \text{°C} bis 200\ \text{°C} geeignet. Er verwendet eine einlagige, nahtlos geschweißte Stahlrohrkapselung mit einem Außendurchmesser von nur 0,9\ \text{mm}. Standardmäßig wird eine Polyimid-Singlemode-Faser verwendet, die für hohe Temperaturen geeignet ist.
2. OFSCN® 300°C Distributed Fiber Temperature Sensor
Hauptsächlich für die verteilte Temperaturmessung in Hochtemperaturumgebungen von -200\ \text{°C} bis 300\ \text{°C} geeignet. Intern ist standardmäßig eine hochwertige, mit Polyimid ummantelte Singlemode-Faser verbaut.
3. OFSCN® 700°C Distributed Fiber Temperature Sensor
Hauptsächlich für extrem anspruchsvolle Hoch- und Tieftemperaturumgebungen von -270\ \text{°C} bis 700\ \text{°C} geeignet. Es werden fortschrittliche, goldbeschichtete Glasfasern (Gold-coated Optical Fiber) und ein nahtlos geschweißtes Stahlrohr-Verfahren verwendet.
