▍本文由課題組撰稿

▍導(dǎo)讀

近日，來自太原理工大學(xué)的李健博士和張明江教授團(tuán)隊(duì)以“Chaos Raman distributed optical fiber sensing”為題在Light: Science & Applications發(fā)表文章。

該文章分析了拉曼分布式光纖傳感系統(tǒng)空間分辨率受限的物理瓶頸，總結(jié)了近十幾年來國內(nèi)外研究人員相應(yīng)的解決方案，并提出了一種基于混沌拉曼分布式光纖傳感的新方法，打破了傳統(tǒng)方案傳感空間分辨率受限于光源脈寬的瓶頸，該方案的傳感空間分辨率相比傳統(tǒng)方案提高了約50倍，為高空間分辨率精密物理場測量提供了新的研究思路。

沒有測量就沒有科學(xué)。物理和測量密不可分。精密測量以更高的精度檢驗(yàn)現(xiàn)有物理學(xué)的范圍，并試圖找出現(xiàn)有物理理論框架的極限，從而發(fā)現(xiàn)新的物理規(guī)律。眾所周知，將測量精度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)往往會(huì)導(dǎo)致新的物理現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)。

拉曼分布式光纖傳感技術(shù)主要是基于光纖中的拉曼散射效應(yīng)以及光時(shí)域反射技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)光纖沿線的全分布式傳感?？臻g分辨率作為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精密測量的一個(gè)及其重要指標(biāo)，反映了傳感系統(tǒng)在測量溫度場時(shí)能夠分辨的最小光纖長度?，F(xiàn)有千米級(jí)拉曼分布式光纖傳感方案的空間分辨率被限制在米量級(jí)，而一些特殊應(yīng)用領(lǐng)域要求傳感器實(shí)現(xiàn)分米級(jí)甚至厘米級(jí)的高空間分辨率。因此，為解決上述問題，太原理工大學(xué)的李健博士和張明江教授團(tuán)隊(duì)提出了混沌拉曼分布式光纖傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了拉曼分布式光纖傳感領(lǐng)域的精密測量。

該團(tuán)隊(duì)提出了一種基于混沌差分重構(gòu)結(jié)合混沌二階微分偏導(dǎo)相關(guān)的混沌拉曼分布式光纖傳感新方案。該方案以混沌激光信號(hào)作為傳感信號(hào)取代了傳統(tǒng)脈沖激光信號(hào)，提出了混沌激光相關(guān)法拉曼分布式光纖傳感新方法。該方案利用混沌激光的自相關(guān)特性和寬帶特性有效解決了傳統(tǒng)拉曼分布式光纖傳感技術(shù)中光源脈寬限制所帶來的長傳感距離與高空間分辨率無法兼顧的瓶頸問題，消除了傳統(tǒng)方案光源脈寬對(duì)系統(tǒng)傳感空間分辨率的物理限制。此外，通過混沌二階微分偏導(dǎo)相關(guān)方案，對(duì)拉曼弱傳感信號(hào)進(jìn)行了強(qiáng)度增強(qiáng)，解決了傳統(tǒng)方案中傳感信號(hào)信噪比與系統(tǒng)空間分辨率無法兼顧的技術(shù)瓶頸。

論文從理論和實(shí)驗(yàn)角度分別探究了混沌脈沖寬度、頻譜形狀、混沌帶寬，混沌脈沖子脈沖數(shù)、幅值概率分布、入纖功率及混沌時(shí)延特征對(duì)混沌拉曼分布式光纖傳感系統(tǒng)傳感距離及空間分辨率的影響。實(shí)驗(yàn)在千米級(jí)傳感距離下，將傳統(tǒng)米量級(jí)的傳感空間分辨率提升至10 厘米。本文提出的混沌拉曼分布式光纖傳感技術(shù)優(yōu)化了傳統(tǒng)拉曼分布式光纖傳感器的空間分辨率性能，擴(kuò)展了拉曼分布式光纖傳感器的應(yīng)用場景，在一些需要高空間分辨率的精密測量領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力，為光混沌和光纖傳感提供了新的研究方向。

圖1：高空間分辨率混沌拉曼分布式光纖傳感物理原理及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

▍作者簡介

李健，博士畢業(yè)于太原理工大學(xué)光學(xué)工程專業(yè)，英國諾森比亞大學(xué)訪問學(xué)者，主要從事新型分布式光纖傳感技術(shù)與應(yīng)用。將拉曼分布式光纖傳感系統(tǒng)的空間分辨率提升至厘米量級(jí)，解決了拉曼光纖傳感領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)難題，研究成果被全球工程領(lǐng)域國際著名科技機(jī)構(gòu)Advances in Engineering認(rèn)定為全球最新突破性科技進(jìn)展。獲中國儀器儀表學(xué)會(huì)金國藩青年學(xué)子獎(jiǎng)、中國光學(xué)工程學(xué)會(huì)技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)、中國光學(xué)學(xué)會(huì)郭光燦光學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文提名獎(jiǎng)、全國高校“百名研究生”黨員標(biāo)兵、中國光學(xué)工程學(xué)會(huì)首屆“金燧獎(jiǎng)”中國光電儀器品牌榜銅獎(jiǎng)、全國光學(xué)與光學(xué)工程博士生學(xué)術(shù)聯(lián)賽優(yōu)秀獎(jiǎng)等獎(jiǎng)勵(lì)。主持國家自然科學(xué)基金青年基金、山西省成果轉(zhuǎn)化引導(dǎo)專項(xiàng)、華為公司橫向課題等項(xiàng)目6項(xiàng)，以第一作者和通訊作者在Light: Science & Applications、Photonics Research、APL Photonics等期刊發(fā)表SCI論文13篇，包括TOP論文6篇，第一發(fā)明人授權(quán)國家發(fā)明專利10項(xiàng)，公開2項(xiàng)美國專利?！吨袊芯可菲诳u(píng)價(jià)為“為國筑器的科研追光者”。

張明江，太原理工大學(xué)“求實(shí)學(xué)者”、教授，博導(dǎo)。博士畢業(yè)于天津大學(xué)光學(xué)工程專業(yè)，加拿大渥太華大學(xué)訪問學(xué)者，主要從事光子集成混沌激光器及分布式光纖傳感研究。獲全國百篇優(yōu)博論文提名獎(jiǎng)，入選“三晉學(xué)者”特聘教授支持計(jì)劃、山西省學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人等人才計(jì)劃。兼任中國光學(xué)學(xué)會(huì)光學(xué)教育專業(yè)委員會(huì)常務(wù)委員、山西省光學(xué)學(xué)會(huì)副理事長、《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》期刊編委等職。先后主持國家重大科研儀器研制項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、國防科技創(chuàng)新特區(qū)項(xiàng)目等國家、省部級(jí)項(xiàng)目和企業(yè)委托項(xiàng)目20多項(xiàng)。發(fā)表學(xué)術(shù)論文120多篇，以第一發(fā)明人授權(quán)中國發(fā)明專利42項(xiàng)、美國專利2項(xiàng)，軟件著作權(quán)12項(xiàng)。第一完成人獲山西省技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)、山西省自然科學(xué)二等獎(jiǎng)、中國專利優(yōu)秀獎(jiǎng)、中國光學(xué)工程學(xué)會(huì)“金燧獎(jiǎng)”中國光電儀器品牌榜銅獎(jiǎng)。

▍論文信息

Wang, C., Li, J., Zhou, X. et al. Chaos Raman distributed optical fiber sensing. Light Sci Appl 12, 213 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01267-3

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