作者:李清波 来源:中国科学报 发布时间:2023/12/22 10:53:36
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用“光”测量世界,他们把全球最高精度提高十倍

 

“一米几分钱的光纤铺到哪里,我们就可以感知到哪里,空间更大,距离更长,精度就要求更高,感知哪一类数据的范围也会不断扩展,基于混沌激光的分布式光纤传感器像是米尺和卷尺的结合,有长度更有精度,帮助我们探测世界”,太原理工大学物理学院教授张明江介绍道。

不远的将来,空间站和机翼的形变、极地冰架的温度、水坝桥梁隧道的裂纹、半导体器件的载流子、矿井下的声音和温度,甚至人体脏器器官的癌变都可以通过铺设一层感知“神经”——光纤,来收集海量数据,包括温度、应力、振动、气体液体浓度等,这一切都源于分布式光纤传感原创技术的大幅度推进,源于张明江团队20余年的探索追寻。

近日,太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室和物理学院研发的一种新型拉曼分布式光纤温度传感技术,能在千米级的传感距离上实现厘米级的空间分辨率,最佳空间分辨率较世界最先进水平提高十倍以上。该成果以《拉曼分布式光纤传感的物理与应用》和《混沌拉曼分布式光纤传感》先后刊登在《自然》子刊《光:科学与应用》。前一篇论文在刊登不到一年半的时间里,已成为ESI高被引论文,且被引频次已进入物理学术领域最优秀的1%之列。张明江、电子信息与光学工程学院副教授李健为论文通讯作者。 

两位通讯作者也是师徒,老师张明江(左)获得全国百强优秀导师,学生李健(右)获得全国光学与光学工程博士生学术联赛优秀奖。受访者供图

十年一“件”

2个月前,中国第40次南极科考队出征在即,科考队中两名太原理工大学博士,专门来到张明江的实验室借走了一台分布式光纤传感器,用于中国北方机场跑道温度和南极冰盖温度监测。传感器外形酷似家用电脑主机,内含一台混沌激光发射器、接收卡等自研精密仪器,外设光纤接口,只要把光纤铺设在被观测物体表面,传感器就能发出并回收激光,并经过一系列复杂运算把光信号精确转换为温度、应力、振动等物理量。

“该新型传感器的研发基于我们对其光源——混沌激光连续多年的研发,而能够研发这种激光仪器的国内仅有3、4家,我们最先将混沌激光与光纤传感器进行结合,研制出的设备方便携带、操作简单,由于单位是高校原因不能售卖,我们就借给需要的同行,以此进一步推广我们团队的最新研究成果。”在张明江的实验室里,刚刚从煤矿井底工作回来的光纤传感器还没来得及擦去机壳上的灰尘。

此混沌非彼混沌。现代混沌理论起始于20世纪60年代气象学家爱德华·洛伦茨在天气预测研究中发现的“蝴蝶效应”。经过60年的研究,混沌理论在数学、物理、天文学、化学、社会学等取得了长足发展,特别是与先进的光学、光电子学结合,在保密光通信、激光雷达、传感等应用领域孕育了一系列变革性光学技术。

“混沌激光概念的诞生在20世纪90年代,直到21世纪初,科学家们才发现混沌激光在保密通信、随机数产生、激光雷达作用上有着不可替代的作用。”2003年开始,张明江团队从零起步摸索混沌激光器的制备,如今已经是国内可以独自研发该激光器的数家单位之一。

“混沌激光器没有任何一个国家会公开出售。”花费10年时间才站在了这条起跑线,张明江拥有了金刚钻,可以自主决定揽哪个瓷器活。

“乱”中取胜

思前想后,张明江郑重决定开辟的一个无人踏足的领域,一个在科研和工程上有重大价值的课题,在传统脉冲激光作为光源的光纤传感器上,尝试引入混沌激光作为光源,并走向原有技术难以达到的新边界。

选择新方向意味着在未知的一段时间里需要持续投入更多的精力、人力,甚至可能要面临拆东墙补西墙的窘迫。“从脑子的设想和概念到如今批量的产品,我们花了11年时间。”张明江在混沌激光为基础的光纤传感器上投入不亚于豪赌一把。

“风险来自混沌激光并不被人看好,”张明江介绍道,“对于光纤传感器来说,换个光源,从脉冲激光变为混沌激光是一种翻天覆地的变化,且基于完全不同的科学原理,和传统仪器相比完全是两种类型的仪器。”  

脉冲激光时序波形规律起伏,混沌激光的时序波形呈现类噪声特性。传统脉冲激光在光纤传感器中就受制于它的脉冲宽度,脉冲宽度越窄,它的空间分辨率越好,但是伴生而出的是信噪比加大,类似于信号中的“杂质”“噪音”,两者相互矛盾,难以兼得。

新光纤传感器的特点是宽光谱,脉冲时序毫无规律且幅度极大,理论上,给空间分辨率的提高增加了很大的难度。

“认识到难题后,我们从一开始就在纸面上的验算开始,在理论设计上反复琢磨,在仿真模拟中花了一年多时间,从原理上解决了传统系统空间分辨率受脉宽的限制”,李健介绍道。

当混沌激光与光纤传感器成功结合之后,突破了传统光纤传感器的性能边界。传统光纤传感器上,一公里内的光纤内,只能定位到米量级的数据,大约会产生1000个数据。而新传感器可以抓取光纤上在每厘米的数据,产生10万个数据,提升了2个数量级。

提出问题难于攻克问题

光纤是神经,激光是感知手段,那么解调仪就是处理信息的“大脑”。

混沌激光入射进入光纤中,光传播时产生的后向散射光来获取光纤沿线的光时序、光频率和光相位等信息,然后该信息又被原路收集回到传感器采集卡。光走过一公里花费极短的时间,却能产生最少20万个数据,复杂的曲线、杂乱的信号意味着解码难,数据处理量极大。张明江团队独家研制了时空压缩调制解调仪,使用了边缘计算等最新的计算机技术,实现了海量数据整理和强力解码。

实验台上复杂的布线。摄影 李清波

分布式光纤传感器分为瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射三个方向。“每个方向都是一座需要翻越的大山,在这三个方向都要作出不同的传感器。”张明江解释道。

知之愈明,行之愈笃。从2012年提出设想,到2023年发表的高被引论文,张明江团队完成了理论的创新,三个研究方向的突破,以及设备研发成熟可用、小型化以及量产。

其实早在刚起步阶段,张明江就背负极大的压力,早有专家指出,拉曼散射方向的研究如果没有完全彻底的改进,基本就到了死胡同,没什么前途。

所以,张明江为了准备切入这个新赛道,给课题组的学生安排了不同的任务,首先就是读文献。

2015年,李健成为张明江的硕士研究生,从新课题的起步阶段就在持续跟进。张明江回忆自己的学生,他第一年看的文献相当于普通学生阅读量的50倍以上。张明江给他的要求是不仅要读懂,还要读出这篇文章的缺陷在哪里,以此锻炼学术思维能力。

在研发进展到了将混沌激光与拉曼散射方向结合起来时,李健博士一年级在读,“当时给自己立了个目标,2个月内要把当时把相关领域的全部硕博论文读完,理解国内发展方向和达到的水平,以大量文献阅读为础,才有后来的灵光乍现,否则谈灵感只是空谈。”

李健从读书到入职张明江教授课题组,已经在这个方向研究了8年,谈及研究难度,他表示,“遇到困难的时候每一天其实都挺煎熬,但是也很享受这种过程,希望被人在谈起分布式光纤传感领域时,可以联想到自己的名字”。在2021年,《中国研究生》曾经报道过李健,称他为“为国筑器的科研追光者”。

李健认为,最大的困难是导师最开始‘提出科学问题’的那一刻,因为并不是所有的问题都可以成为‘科学问题’。

最近,张明江的脑海里又诞生了更深层次的科学问题,未来三年,他们承担了一项科技部重点研发计划“基础科研条件与重大科学仪器设备研发”重点专项,研制一种可以应用在生命科学、空天科学、地质科学领域的光纤频域反射测量仪。

张明江介绍,“这是一款以混沌激光为光源的高精尖科学测量仪器,我们的目标是比当前的最先进的光纤传感器还要灵敏十倍,铺设长度提高十倍,在温度场、应变场之外,再新增振动场、磁场、倏逝场三个物理场,大到海底光缆状态、矿区塌陷变化、小到电网磁场、体内肿瘤标志物都可以观测到。”

一把优秀的“尺”将不仅是的测量工具,还是大科研、大工程、大设备必不可少的好帮手。

 

 

 
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