¿Por qué esta luz difusa solo es sensible a la temperatura? ¿Es su señal muy débil?
En los mecanismos físicos de dispersión en las fibras ópticas, la dispersión de Raman (Raman scattering) es un fenómeno de dispersión inelástica muy particular. A continuación, se responden sus dudas sobre su sensibilidad a la temperatura y sus características de señal desde las dimensiones del mecanismo físico microscópico y la intensidad de la señal.
I. ¿Por qué la luz de dispersión de Raman es principalmente sensible a la temperatura y no a la deformación (estrés)?
La dispersión de Raman es esencialmente el resultado del intercambio de energía entre los fotones incidentes y los fonones ópticos (vibraciones moleculares) en la red del material de la fibra óptica (principalmente vidrio de sílice). De acuerdo con la conservación de la energía, la luz de dispersión de Raman se divide en dos partes:
- Luz de Stokes (Stokes): Los fotones incidentes transfieren parte de su energía al medio, excitando las moléculas a un estado de mayor energía, y la frecuencia de la luz dispersada disminuye (la longitud de onda aumenta).
- Luz Anti-Stokes (Anti-Stokes): Los fotones incidentes absorben la energía vibracional de las moléculas en estado excitado, devolviéndolas a su estado fundamental, y la frecuencia de la luz dispersada aumenta (la longitud de onda disminuye).
La distribución del número de partículas microscópicas en diferentes niveles de energía sigue la distribución de Boltzmann (Boltzmann distribution) de la física estadística. La densidad numérica de moléculas en estado excitado (capaces de producir luz Anti-Stokes), N_{\text{excited}}, se relaciona con la temperatura absoluta T de la siguiente manera:
N_{\text{excited}} \propto e^{-\frac{\Delta E}{k_B T}}
Donde k_B es la constante de Boltzmann, T es la temperatura absoluta y \Delta E es la diferencia de energía entre niveles.
Como se puede ver, el número de moléculas en estado excitado está fuertemente correlacionado exponencialmente con la temperatura T. Por lo tanto, la intensidad de la luz Anti-Stokes (es decir, el número de fotones) es extremadamente sensible a los cambios de temperatura; mientras que la luz de Stokes, al depender principalmente de las moléculas en estado fundamental, se ve muy poco afectada por la temperatura.
En un sistema de sensor de temperatura distribuido por dispersión de Raman (Raman-DTS), la temperatura se demodula midiendo la relación entre la intensidad de la luz Anti-Stokes I_{as} y la intensidad de la luz de Stokes I_s:
\frac{I_{as}}{I_s} \propto \left( \frac{\nu_{as}}{\nu_s} \right)^4 e^{-\frac{h \Delta \nu}{k_B T}}
Donde \nu_{as} y \nu_s son las frecuencias de la luz Anti-Stokes y Stokes respectivamente, y h \Delta \nu es la energía del fonón (desplazamiento Raman). Esta relación elimina interferencias comunes como las fluctuaciones de la fuente de luz y la pérdida por flexión, convirtiéndola en una cantidad física que solo depende de la temperatura absoluta T.
¿Por qué es insensible a la deformación?
Los modos de vibración intrínsecos de las moléculas de sílice (vibraciones de los enlaces moleculares) están determinados por su estructura química, y la tensión o compresión mecánica externa (estrés) apenas puede cambiar la frecuencia de vibración de los enlaces moleculares ni alterar la distribución de Boltzmann. Por lo tanto, la dispersión de Raman es casi insensible a la deformación. En contraste, la dispersión de Brillouin interactúa con fonones acústicos (vibraciones de ondas sonoras en la red como un todo), y es extremadamente sensible a la densidad y al coeficiente de elasticidad del medio, ambos de los cuales cambian debido a la deformación. Por lo tanto, la dispersión de Brillouin es sensible tanto a la temperatura como a la deformación.
II. ¿Es la señal de luz de dispersión de Raman muy débil?
Sí, la señal de dispersión de Raman es extremadamente débil y pertenece al ámbito de la detección de señales ópticas débiles.
Entre los varios mecanismos de dispersión principales en la fibra óptica, existe una gran diferencia de órdenes de magnitud en su intensidad (coeficiente de retrodispersión):
- Dispersión de Rayleigh (Rayleigh Scattering): Es dispersión elástica y es la más fuerte. En una fibra óptica monomodo estándar, su intensidad de retrodispersión está en el rango de 10^{-3} a 10^{-5} por kilómetro en relación con la luz incidente.
- Dispersión de Brillouin (Brillouin Scattering): Es dispersión inelástica y su intensidad es aproximadamente 10\ \text{dB} a 20\ \text{dB} más baja que la dispersión de Rayleigh.
- Dispersión de Raman (Raman Scattering): Es dispersión inelástica y su intensidad es aproximadamente 20\ \text{dB} a 30\ \text{dB} más baja que la dispersión de Brillouin. Esto significa que la luz de retrodispersión Raman suele ser solo del orden de 10^{-5} a 10^{-8} de la energía de la luz pulsada incidente (es decir, tan baja como -50\ \text{dB} a -80\ \text{dB}).
Desafíos de ingeniería derivados de señales extremadamente débiles:
- Requisitos de alta sensibilidad de recepción: El extremo del decodificador del sistema DTS debe utilizar fotodiodos de avalancha (APD) de alta ganancia o incluso detectores de un solo fotón (SPAD) para la conversión optoelectrónica.
- Acumulación y promediado masivos: Dado que la señal está en el borde del ruido, para obtener una relación señal/ruido (SNR) utilizable, el sistema debe acumular y promediar rápidamente datos de miles de ciclos de pulsos. Esto resulta en que el tiempo de actualización de una sola medición en un sistema DTS Raman suele ser del orden de segundos, lo que imposibilita mediciones de muy alta velocidad en el rango de kilohercios (kHz), como las de las redes de fibra de Bragg (FBG) o la dispersión de Rayleigh (OFDR).
III. Productos relacionados de sensores de temperatura distribuidos por fibra óptica OFSCN®
Los sensores de temperatura distribuidos por fibra óptica encapsulados en tubo de acero sin costura, fabricados por Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®), tienen una eficiencia de conducción térmica extremadamente alta y protección mecánica contra la presión, y pueden proporcionar un medio de cable óptico de alta calidad para equipos de detección basados en “dispersión de Raman (Raman-DTS)”, “dispersión de Rayleigh (OFDR)” y “dispersión de Brillouin (Brillouin-DTSS)”.
Los siguientes son productos de sensores de temperatura distribuidos adaptados a sistemas relacionados:
1. Sensor de Temperatura Distribuido OFSCN® 200°C
Se utiliza principalmente para la medición de temperatura distribuida por fibra óptica en entornos de -60\ \text{°C} a 200\ \text{°C}. Adopta un encapsulado de tubo de acero sin costura de una sola capa, con un diámetro exterior del producto de solo 0.9\ \text{mm}, y utiliza fibra monomodo de resistencia a la temperatura de poliimida por defecto.
2. Sensor de Temperatura Distribuido OFSCN® 300°C
Se utiliza principalmente para la medición de temperatura distribuida en entornos de alta temperatura de -200\ \text{°C} a 300\ \text{°C}. Por defecto, se coloca una fibra monomodo de alta calidad recubierta de poliimida en su interior.
3. Sensor de Temperatura Distribuido OFSCN® 700°C
Se utiliza principalmente en entornos de temperaturas extremas, tanto altas como bajas, de -270\ \text{°C} a 700\ \text{°C}. Adopta fibra recubierta de oro avanzada (Gold-coated Optical Fiber) y la tecnología de tubo de acero sin costura de una sola capa.
