导读
近日，瑞士洛桑联邦理工学院的研究人员提出一种新方法，利用光纤感知周围的材料。
背景
光纤，在大多数人的印象中，主要是作为网络通信中的信息传输媒介，应用于长距离的光通信系统。一般来说，它是由玻璃或者塑料制成的纤维。
然而，出乎许多人意料的是，光纤还有一项十分重要的用途：传感器。其实原理很简单：光纤是光波的一种传输介质，当光波在光纤中传输时，外部因素（例如：温度、压力、应变、振动、声音、磁场等）的变化会引起光波的光学特性（例如：振幅、相位、偏振、波长等）的变化。因此，光纤可用于感知和测量各种物理变化，甚至被比作“人造神经”。
光纤传感器技术的应用领域非常广阔，比如说：用于建筑物监控领域，例如监测桥梁结构、输油管道泄露、铁路滑坡等问题；用于航空航天领域，例如感知飞机机翼状况；用于生物医疗领域，例如检测乳腺癌的温度变化；用于可穿戴设备与智能织物领域，例如检测人体健康状况与早期诊断疾病。
接下来，让我们一起回顾一下笔者以往介绍过的两个经典案例：
1）瑞士和西班牙的科研人员开发出一条长达10千米的分布式光纤传感器系统，能感知100万个点的温度变化或者应变。
（图片来源：Duncan Rawlinson、Alejandro Dominguez-Lopez）
2）日本东北大学团队开发出一种低成本传感器，它利用空心光纤传导敏感气体，监测人体呼吸中低浓度的生物标记物，为未来的非侵入式健康研究开辟了一条新的道路。
创新
近日，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员提出一种新方法，在光纤内部光束的帮助下简单地生成声波，使得光纤可以分辨它们接触的是液体还是固体。
（图片来源：Alain Herzog / EPFL）
EPFL 工学院教授 Luc Thévenaz 领导的纤维光学小组（GFO）主导了这项研究，相关论文发表于《自然通信（Nature Communications）》杂志。
在光纤中使用声波的想法起初来源于该团队的合作伙伴：以色列巴伊兰大学的研究人员。随后，他们展开了联合项目研究。
技术
这种光纤由玻璃制成，宽度不超过一缕发丝。它传输的光线根据四个参数：强度、相位、偏振、波长，产生相应的变化。当光纤被拉伸或者温度发生改变时，这些参数也会发生改变，使光纤像传感器一样，能够检测结构中的裂缝或者温度的异常。但是迄今为止，在不让光线脱离光纤的情况下（即不干扰光线的传播路径），科学家们仍无法判断光纤周围正在发生的状况。
EPFL 开发的方案利用了光纤内部生成的声波。这种超高频的波，在光纤的壁上，有规律地反弹。根据声波接触的材料不同，在不同的位置，产生的回声也不同。当光束离开光纤时，这种回声在光线上留下可读取的记号，反映出光纤周围的环境。这种记号非常微弱，以至于几乎不会干扰光纤内部传播的光线。这种方法可以感知光纤周围发生了什么状况，与此同时发送基于光线的信息。
价值
研究人员已经将他们的光纤浸入水中，接着是酒精中，然后再放到露天中。每一次，他们的系统都能正确地分辨周围环境的变化。Thévenaz 表示：“我们的技术可用于检测漏水，以及光纤所接触的液体的密度和盐度。潜在的应用非常多。”
（图片来源：Desmond Chow / EPFL）
一种简单的时基方案就可以检测周围环境中的变化。Thévenaz 解释道：“每个波脉冲的产生都有一个微小的时间间隔。这种延时反映在光束到达的时间上。如果沿途存在任何干扰，我们不仅可以搞清楚它们是什么，也可以判断出它们的位置。目前，我们可以在约数十米的范围内定位干扰，但是我们却拥有将精度提高至一米的技术手段。”
关键字
光纤、传感器、声波
【1】https://actu.epfl.ch/news/optical-fibers-that-can-feel-the-materials-around-/
【2】Desmond M. Chow, Zhisheng Yang, Marcelo A. Soto, Luc Thévenaz. Distributed forward Brillouin sensor based on local light phase recovery. Nature Communications, 2018; 9 (1) DOI: 10.1038/s41467-018-05410-2
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