Почему этот рассеянный свет чувствителен только к температуре? Является ли его сигнал очень слабым?
В физических механизмах рассеяния в оптоволокне, рамановское рассеяние (Raman scattering) является особым явлением неупругого рассеяния. Ниже мы ответим на ваши вопросы о его температурной чувствительности и характеристиках сигнала с двух точек зрения: микроскопического физического механизма и интенсивности сигнала.
I. Почему рамановское рассеяние света в основном чувствительно к температуре, а не к деформации (напряжению)?
Рамановское рассеяние по своей сути является результатом обмена энергией между падающим фотоном и оптическими фононами (молекулярными колебаниями) в кристаллической решетке материала оптоволокна (в основном стекловидного диоксида кремния). Согласно закону сохранения энергии, рамановское рассеянное излучение делится на две части:
- Стоксово излучение (Stokes): падающий фотон передает часть своей энергии среде, возбуждая молекулу до более высокого энергетического состояния; частота рассеянного света уменьшается (длина волны увеличивается).
- Антистоксово излучение (Anti-Stokes): падающий фотон поглощает энергию колебаний возбужденной молекулы, переводя ее в основное состояние; частота рассеянного света увеличивается (длина волны уменьшается).
Распределение количества микрочастиц на разных энергетических уровнях подчиняется распределению Больцмана (Boltzmann distribution) в статистической физике. Плотность возбужденных молекул N_{\text{excited}} (которые могут производить антистоксово излучение) связана с абсолютной температурой T следующим образом:
N_{\text{excited}} \propto e^{-\frac{\Delta E}{k_B T}}
Где k_B — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура, а \Delta E — разность энергетических уровней.
Из этого видно, что количество возбужденных молекул экспоненциально сильно коррелирует с температурой T. Следовательно, интенсивность антистоксова излучения (т. е. количество фотонов) чрезвычайно чувствительна к изменениям температуры; тогда как стоксово излучение, в основном зависящее от молекул в основном состоянии, очень мало подвержено влиянию температуры.
В системах рамановской распределенной температурной сенсорики (Raman-DTS) температура определяется путем измерения отношения интенсивности антистоксова излучения I_{as} к интенсивности стоксова излучения I_s:
\frac{I_{as}}{I_s} \propto \left( \frac{\nu_{as}}{\nu_s} \right)^4 e^{-\frac{h \Delta \nu}{k_B T}}
Где \nu_{as} и \nu_{s} — частоты антистоксова и стоксова излучения соответственно, а h \Delta \nu — энергия фонона (рамановский сдвиг). Это отношение устраняет общие помехи, такие как колебания источника света и потери при изгибе, делая его величиной, связанной только с абсолютной температурой T.
Почему не чувствительно к деформации?
Собственные внутренние колебательные моды молекул диоксида кремния (колебания связей) определяются их химической структурой. Внешнее механическое растяжение или сжатие (напряжение) практически не изменяют частоту колебаний молекулярных связей и не меняют распределение Больцмана. Следовательно, рамановское рассеяние практически не подвержено влиянию деформации. В отличие от этого, в бриллюэновском рассеянии (Brillouin scattering) взаимодействуют акустические фононы (колебания акустических волн всей кристаллической решетки), которое чрезвычайно чувствительно к плотности и упругим коэффициентам среды. Эти параметры изменяются из-за деформации, поэтому бриллюэновское рассеяние чувствительно как к температуре, так и к деформации.
II. Является ли сигнал рамановского рассеяния очень слабым?
Да, сигнал рамановского рассеяния крайне слаб и относится к области обнаружения слабых сигналов света.
Среди нескольких основных механизмов рассеяния в оптоволокне существует огромное различие в их интенсивности (коэффициенте обратного рассеяния):
- Рэлеевское рассеяние (Rayleigh Scattering): является упругим рассеянием, самым сильным. В стандартном одномодовом оптоволокне интенсивность обратного рассеяния составляет от 10^{-3} до 10^{-5} от падающего света на километр.
- Бриллюэновское рассеяние (Brillouin Scattering): является неупругим рассеянием, его интенсивность примерно на 10\ \text{dB} до 20\ \text{dB} ниже, чем у рэлеевского рассеяния.
- Рамановское рассеяние (Raman Scattering): является неупругим рассеянием, его интенсивность примерно на 20\ \text{dB} до 30\ \text{dB} ниже, чем у бриллюэновского рассеяния. Это означает, что интенсивность обратного рамановского рассеяния обычно составляет всего 10^{-5} до 10^{-8} от энергии падающего импульсного света (т. е. до -50\ \text{dB} до -80\ \text{dB}).
Инженерные проблемы, связанные с чрезвычайно слабым сигналом:
- Требование высокой чувствительности приема:
На приемной стороне DTS-демодулятора должны использоваться лавинные фотодиоды (APD) с высоким коэффициентом усиления или даже однофотонные детекторы (SPAD) для фотоэлектрического преобразования. - Массивное накопление и усреднение:
Поскольку сигнал находится на грани шума, для получения приемлемого соотношения сигнал/шум (SNR) система должна быстро накапливать и усреднять данные за тысячи периодов импульсов. Это приводит к тому, что время обновления одного измерения в системах Raman-DTS обычно составляет секунды, что не позволяет реализовать сверхвысокоскоростные измерения на уровне килогерц (kHz), как у волоконно-оптических решеток (FBG) или рэлеевского рассеяния (OFDR).
III. Связанные продукты для распределенной температурной сенсорики OFSCN®
Распределенные оптоволоконные датчики температуры в бесшовной стальной трубе, производимые Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®), обладают чрезвычайно высокой эффективностью теплопередачи и механической защитой от давления, обеспечивая высококачественную оптоволоконную среду датчика для сенсорного оборудования на основе «рамановского рассеяния (Raman-DTS)», «рэлеевского рассеяния (OFDR)» и «бриллюэновского рассеяния (Brillouin-DTSS)».
Ниже представлены продукты распределенных температурных датчиков, совместимые с соответствующими системами:
1. OFSCN® 200°C Distributed Fiber Temperature Sensor
В основном используется для распределенного измерения температуры в условиях окружающей среды от -60\ \text{°C} до 200\ \text{°C}. Используется однослойная бесшовная стальная труба для инкапсуляции, внешний диаметр продукта составляет всего 0.9\ \text{mm}. По умолчанию используется одномодовое оптоволокно с полиимидной оболочкой, устойчивое к высоким температурам.
2. OFSCN® 300°C Distributed Fiber Temperature Sensor
В основном используется для распределенного измерения температуры в условиях высоких температур от -200\ \text{°C} до 300\ \text{°C}. По умолчанию внутри помещается высококачественное одномодовое оптоволокно с полиимидной оболочкой.
3. OFSCN® 700°C Distributed Fiber Temperature Sensor
Используется в экстремальных высокотемпературных и низкотемпературных условиях от -270\ \text{°C} до 700\ \text{°C}. Применяется передовое оптоволокно с золотым покрытием (Gold-coated Optical Fiber) и технология однослойной бесшовной стальной трубы.
