Pourquoi cette lumière diffuse n’est-elle sensible qu’à la température ? Son signal est-il très faible ?
Parmi les mécanismes physiques de diffusion dans les fibres optiques, la diffusion Raman est un phénomène de diffusion inélastique très particulier. Voici les explications concernant sa sensibilité à la température et ses caractéristiques de signal, présentées sous deux angles : le mécanisme physique microscopique et l’intensité du signal.
I. Pourquoi la lumière diffusée Raman est-elle principalement sensible à la température et non à la déformation (contrainte) ?
La diffusion Raman est essentiellement le résultat d’un échange d’énergie entre les photons incidents et les phonons optiques (vibrations moléculaires) dans le réseau du matériau de la fibre optique (principalement du verre de silice). Conformément à la conservation de l’énergie, la lumière diffusée Raman se divise en deux parties :
- Lumière Stokes : Le photon incident transfère une partie de son énergie au milieu, excitant les molécules à un état d’énergie supérieure, ce qui entraîne une diminution de la fréquence de la lumière diffusée (augmentation de la longueur d’onde).
- Lumière Anti-Stokes : Le photon incident absorbe l’énergie vibratoire des molécules dans un état excité, les ramenant à leur état fondamental, ce qui entraîne une augmentation de la fréquence de la lumière diffusée (diminution de la longueur d’onde).
La distribution du nombre de particules microscopiques dans différents niveaux d’énergie suit la distribution de Boltzmann de la physique statistique. La densité numérique des molécules N_{\text{excited}} dans l’état excité (capable de produire de la lumière anti-Stokes) est liée à la température absolue T par :
N_{\text{excited}} \propto e^{-\frac{\Delta E}{k_B T}}
Où k_B est la constante de Boltzmann, T est la température absolue, et \Delta E est la différence d’énergie entre les niveaux.
Il est donc évident que le nombre de molécules dans l’état excité est fortement corrélé de manière exponentielle avec la température T. Par conséquent, l’intensité de la lumière anti-Stokes (c’est-à-dire le nombre de photons) est extrêmement sensible aux variations de température, tandis que la lumière Stokes, dépendant principalement des molécules à l’état fondamental, est très peu affectée par la température.
Dans un système de capteur de température distribué par diffusion Raman (Raman-DTS), la température est démodulée en mesurant le rapport entre l’intensité de la lumière anti-Stokes I_{as} et l’intensité de la lumière 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}}
Où \nu_{as} et \nu_s sont respectivement les fréquences de la lumière anti-Stokes et Stokes, et h \Delta \nu est l’énergie du phonon (décalage Raman). Ce rapport élimine les interférences communes telles que les fluctuations de la source lumineuse et les pertes dues à la courbure, en faisant une grandeur physique qui ne dépend que de la température absolue T.
Pourquoi une faible sensibilité à la déformation ?
Les modes de vibration internes inhérents aux molécules de silice (vibrations des liaisons moléculaires) sont déterminés par leur structure chimique. Les étirements ou compressions mécaniques externes (contrainte) modifient très peu la fréquence de vibration des liaisons moléculaires, ni la distribution de Boltzmann. Par conséquent, la diffusion Raman est presque insensible à la déformation. En revanche, la diffusion Brillouin interagit avec les phonons acoustiques (vibrations des ondes sonores du réseau dans son ensemble) et est extrêmement sensible à la densité et au coefficient d’élasticité du milieu, deux paramètres qui changent avec la déformation. C’est pourquoi la diffusion Brillouin est sensible à la fois à la température et à la contrainte.
II. Le signal de la lumière diffusée Raman est-il très faible ?
Oui, le signal de diffusion Raman est extrêmement faible et relève de la détection de signaux lumineux faibles.
Parmi les principaux mécanismes de diffusion dans les fibres optiques, il existe une grande différence d’ordres de grandeur en termes d’intensité (coefficient de rétrodiffusion) :
- Diffusion Rayleigh : Diffusion élastique, la plus intense. Dans une fibre optique monomode standard, son intensité de rétrodiffusion est d’environ 10^{-3} à 10^{-5} par kilomètre par rapport à la puissance d’entrée.
- Diffusion Brillouin : Diffusion inélastique, son intensité est inférieure d’environ 10\ \text{dB} à 20\ \text{dB} à celle de la diffusion Rayleigh.
- Diffusion Raman : Diffusion inélastique, son intensité est encore inférieure d’environ 20\ \text{dB} à 30\ \text{dB} à celle de la diffusion Brillouin. Cela signifie que la lumière de rétrodiffusion Raman n’est généralement que de l’ordre de 10^{-5} à 10^{-8} de l’énergie du faisceau lumineux incident (soit aussi bas que -50\ \text{dB} à -80\ \text{dB}).
Défis d’ingénierie liés à des signaux extrêmement faibles :
- Besoin de réception à haute sensibilité : Le côté du démodulateur DTS doit utiliser des photodiodes à avalanche (APD) à gain élevé, voire des détecteurs de photons uniques (SPAD), pour la conversion photoélectrique.
- Accumulation et moyennage massifs : Comme le signal se situe à la limite du bruit, afin d’obtenir un rapport signal sur bruit (SNR) utilisable, le système doit effectuer une accumulation et un moyennage rapides de données sur des milliers de cycles d’impulsions. Cela a pour conséquence que le temps de rafraîchissement de mesure unique des systèmes Raman DTS est généralement de l’ordre de la seconde, ce qui empêche des mesures ultra-rapides au niveau du kilohertz (kHz), contrairement aux réseaux de Bragg en fibre (FBG) ou à la diffusion Rayleigh (OFDR).
III. Produits associés de capteurs de température à fibre optique distribuée OFSCN®
Les capteurs de température distribués à fibre optique encapsulés dans des tubes en acier sans soudure, produits par Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®), offrent une efficacité de transfert thermique extrêmement élevée et une protection mécanique contre la pression, fournissant ainsi un excellent milieu de câble optique pour les équipements de détection basés sur la « diffusion Raman (Raman-DTS) », la « diffusion Rayleigh (OFDR) » et la « diffusion Brillouin (Brillouin-DTSS) ».
Voici les produits de capteurs de température distribués adaptés aux systèmes associés :
1. Capteur de température distribué OFSCN® 200°C
Principalement utilisé pour la mesure de température distribuée par fibre optique dans des environnements allant de -60\ \text{°C} à 200\ \text{°C}. Il utilise un tube en acier sans soudure à couche unique pour l’encapsulation, avec un diamètre extérieur de seulement 0,9\ \text{mm}. Il utilise par défaut une fibre optique monomode résistante à la température en polyimide.
2. Capteur de température distribué OFSCN® 300°C
Principalement utilisé pour la mesure de température distribuée dans des environnements à haute température allant de -200\ \text{°C} à 300\ \text{°C}. Il contient par défaut une fibre optique monomode de haute qualité avec revêtement en polyimide.
3. Capteur de température distribué OFSCN® 700°C
Utilisé pour des environnements extrêmes à haute et basse température allant de -270\ \text{°C} à 700\ \text{°C}. Il utilise une fibre optique avancée à revêtement d’or (Gold-coated Optical Fiber) et un procédé de tube en acier sans soudure à couche unique.
