窄线宽高阶布里渊Stokes实现皮应变精度的分布式光纤传感

Pico-strain (pε) measurement at multiple locations play an important role in crustal deformation at some special environment, such as oceanic tide, earthquake and volcanos. Distributed fiber sensing based on Brillouin scattering is an effective method to measure strain at any location of sensing fiber. Because of limitation of 20 MHz Brillouin gain bandwidth, distributed fiber sensing with pε resolution is hardly realized..This project proposes a Brillouin distributed fiber sensing with pε resolution. On the basis of multiwavelength Brillouin-erbium fiber laser (MWBEFL), fiber under test (FUT) is acted as Brillouin gain medium. We will research the operational mechanism of linewidth narrowed by the cascaded stimulated Brillouin scattering (SBS). In order to solve the magnified frequency instability by the cascaded SBS, an effective scheme of frequency stabilization for the high-order Brillouin Stokes with narrow linewidth is proposed. Then, the high-order Brillouin Stokes with Hz narrow linewidth are acquired. After, Brillouin distributed fiber sensing with pε resolution is realized by the method of pulsed spatial position and demodulating the high-order Brillouin Stokes. It will provide a key method for distributed fiber sensing with high temperature/strain resolution and sensitivity and expand range of application of sensing system.

皮应变（pε）精度的多点测量对于潮汐、地震、火山等特殊环境的形变观测具有重要的意义。布里渊分布式光纤传感是一种测量应变值的有效方案，可以准确感知光纤上任一点的信息，但由于布里渊增益带宽（20MHz）的限制，难以实现pε精度的分布式测量。.本项目提出一种实现pε精度布里渊分布式光纤传感的新方法。项目将借助多波长布里渊掺铒光纤激光器，传感光纤提供布里渊增益，研究激光器中级联受激布里渊散射（SBS）压窄线宽的运行机理，提出窄线宽高阶布里渊Stokes的稳频方案，解决级联SBS同时放大频率不稳定性的问题，产生Hz量级窄线宽高阶布里渊Stokes。之后加入脉冲信号进行空间定位，在级联SBS提高应变灵敏度的基础上，通过解调高阶布里渊Stokes的频移变化量，实现pε精度的布里渊分布式光纤传感。本方案可为现有布里渊分布式光纤传感系统提供一种实现高温度/应变精度和灵敏度的关键方法，扩展传感系统的应用范围。

皮应变（pε：pico-strain）的多点观测在一些特殊环境中具有非常重要的意义，如潮汐和地震引起的地壳形变观测，火山地区及岩体附近的动态形变等等。相对于目前可测pε精度的准分布式光纤光栅传感器，布里渊分布式光纤传感可以准确感知光纤上任一点的信息，是一种测量应变值的有效方案，但由于布里渊增益带宽（20MHz）的限制，难以实现pε精度的分布式测量。.本项目提出一种实现pε精度布里渊分布式光纤传感的新方法。在布里渊激光线宽压窄方面，提出了一种具有饱和吸收环（SAR）谐振腔的单纵模三环布里渊光纤激光器（TR-BFL），同时利用PDH锁频系统用于减少外部和长腔的不稳定性，获得了185的线宽压窄率、约65Hz的线宽、5%输出功率波动；在布里渊激光传感方面，提出一种用于应变测量的三倍布里渊频率间隔布里渊光纤激光传感器，通过分别探测一阶、二阶、三阶布里渊Stokes与泵浦光的拍频频移量，实现了灵敏度的提高，分别对应0.05MHz/με、0.11MHz/με、和0.15MHz/με的应变灵敏度；在布里渊激光器稳频方面，提出基于级联受激布里渊散射（SBS）的PDH稳频方案，通过级联SBS进行频率不稳定性的放大，优化基于级联SBS的PDH参数，配合可调光滤波器即可实现高精度的布里渊激光器稳频，目前实验可将激光器稳频精度提高3倍；在高精度应变布里渊传感方面，提出并研究了一种超高分辨率多波长单纵模布里渊掺铒激光传感器，使用光纤法布里珀罗滤波器的装置，每个布里渊Stokes的波长保持单纵模状态，在三阶Stokes波长处获得约26.7pε的超高应变分辨率。本方案可为现有布里渊分布式光纤传感系统提供一种实现高温度/应变精度和灵敏度的关键方法，扩展传感系统的应用范围。