[发明专利]基于局域拉曼增强的分布式光纤拉曼温度传感器

权利要求书

1.本发明为了解决上述问题提出了以下技术方案：

步骤(1)：选择一个1550nm的激光光源，一段金属纳米颗粒掺杂光纤，一个光纤双向耦合器，一个光波分复用器，两个光电雪崩二极管，两个放大器，一个信号处理器，一个计算机；

步骤(2)：光纤双向耦合器的一端与一段金属纳米颗粒掺杂光纤相连，另一端与光波分复用器相连；激光器发出脉冲激光经过光纤双向耦合器射入金属纳米颗粒掺杂光纤，沿金属纳米颗粒掺杂光纤传输的脉冲激光在光纤内会激发出拉曼散射光，散射光与光纤内掺杂的金属纳米颗粒作用，产生增强的拉曼散射信号；

所述的拉曼增强信号是利用了SERS的电磁增强机理，其基本原理如下：

当激发光与极化表面等离子体发生共振时，金属颗粒将会辐射极化电磁波；即表面局域电磁场增强；此场增强可以用式(1)表示:

E_s＝gE₀ (1)

式中，E_s为金属颗粒表面的局域近场增强平均电场，E₀是入射电场，g是颗粒表面的平均增强因子；分子产生的拉曼散射光场强可表示为式(2):

E_R∝α_RE_s∝α_RgE₀ (2)

式中，α_R是拉曼张量分量之合；同样拉曼散射场也会被金属颗粒进一步增强，

金属颗粒在拉曼频移波长处发射散射光，增强因子用g’表示，这样SERS散射场可以表示为式(3)

E_SERS＝α_Rgg′E₀ (3)

而SERS的平均强度与E_SERS的平方成正比，则可表示为式(4)

I_SERS∝|α_R|²|gg′|²I₀＝GI₀ (4)

式中，I_SERS和I₀分别是SERS散射场的强度和入射场的强度；

步骤(3):增强的背向散射信号由光波分复用器接收，并将散射信号中的斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光分开；分别将两种散射光送入两个光电雪崩二极管，将光信号转换为电信号，并用放大器对其进行放大；由于增强后的拉曼散射信号，即斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光，均比普通光纤增强了G倍，所获得的电信号强度和信噪比大大增强；信号处理器对两路放大电信号采样处理，将模拟电信号转换为数字信号传送给计算机进行温度解调；系统利用自发拉曼散射效应产生的反斯托克斯光和斯托克斯光的强度的比值与温度呈线性关系可以实现测温；由于采用脉冲激光作为入射信号光，就可以将散射脉冲返回到发出端所用的时间与光纤距离一一对应，实现定位检测；根据这一原理，可以实现对光纤沿线上各个位置处的温度进行实时传感监测；

由上述(4)式可知，增强后的拉曼散射信号比原先增强了G倍，整个系统的测温表达式为式(5)，式(5)中X_aL、X_sL为增强G倍后的反斯托克斯和斯托克斯散射信号在在光纤L₀处信号强度；

式(5)中H为普朗克常量，K为波耳兹曼常量，Δv为光纤声子的振动频率，α_s，α_a分别为斯托克斯、反斯托克斯喇曼散射光的光纤传输损耗，L为被测处的光纤长度，L₀为光纤某处的光纤长度，T为光纤L处的被测温度，T₀为光纤L₀处光纤的温度，X_aL、X_sL分别为反斯托克斯和斯托克斯信号在L处幅值、分别为反斯托克斯和斯托克斯信号在光纤L₀处的幅值；由于斯托克斯和反斯托克斯散射经过局域拉曼增强效应信号强度大大提高，从而信噪比大幅提高；

通过测量散射光信号的比值可以实现对温度信息的测量。

2.本发明为解决技术问题所采用的装置：

其特征在于包括一个的激光光源，一段金属纳米颗粒掺杂光纤，一个光纤双向耦合器，一个光波分复用器，两个光电雪崩二极管，两个放大器，一个信号处理器，一个计算机；光纤双向耦合器的一端用传输光纤与激光光源相连，另一端与测温金属纳米颗粒掺杂光纤相连；光纤双向耦合器的输出端与光波分复用器的输入端相连，光波分复用器的输出端分别接两个光电雪崩二极管的输入端；光电雪崩二极管的输出端与放大器输入端相连，放大器的输出端与信号处理器的输入端相连；信号处理的输出端与计算机相连。