ブリルアン散乱の局在発生技術による光スァイバ歪分布センサの高分解能化・広レンジ化

2000 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12450162
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 保立 和夫 東京大学, 大学院・新領域創成科学研究科, 教授 (60126159)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 何 祖源 東京大学, 大学院・新領域創成科学研究科, 助手 (70322047) ; 山下 真司 東京大学, 大学院・新領域創成科学研究科, 助教授 (40239968)
• Keywords: 分布型光ファイバセンサ / ブリルアン散乱 / 歪分布計測 / スマートマテリアル / スマートストラクチャ

Research Abstract

本研究は、申請者らが独自に提案し研究成果を蓄積してきた「光ファイバ中での誘導ブリルアン散乱を光波コヒーレンスの制御によって局在発生させる」というユニークな技術により、ブリルアン散乱周波数シフトが光ファイバに加わる歪によって変化する現象を活用して、1cmを上回る空間分解能と数10mの測定レンジを有する光ファイバ型歪分布センシング技術を実現するための研究である。本センシング技術は、痛みの分かる材料・構造(スマートマテリアル・ストラクチャ)を実現するために注目されている独自技術であり、研究計画時に、既に従来技術の本質的限界である1mの空間分解能を一桁以上も凌ぐ6.5cmを達成することに成功している。
本技術では、連続光波に周波数変調を施し、光ファイバ中を対向伝搬するポンプ・プローブ光間の相関を制御して、光ファイバに沿う一箇所でのみ誘導ブリルアン散乱を起こす。本年度は、この周波数変調を理想的に加えるための工夫を施した。光ファイバの狭い範囲に引張り歪を実際に加える機構を作成し、本測定システムで歪分布測定を実行した。その結果、1cmの空間分解能を達成することができた。これは、従来技術の原理的限界を2桁も上回る性能である。続いて、周期的にできる相関ピークの間隔で制限される測定範囲を拡大する方法も考案した。異なるブリルアン散乱周波数シフトを有する光ファイバを接続してセンシングヘッドとする方法と、2つの変調周波数を同時に加える方法の2つであり、従来5m程度であった測定範囲を、20mにまで拡大した。また、本測定法を直径15cmのパイプ周囲の歪測定に適用し、1cmの空間分解能と約30μεの歪感度での測定が実現された。
これら成果により、本技術がスマートマテリアル用の神経系として有望であることが実証できた。

Research Products

• [Publications] K.Hotate,X.Song and Z.-Y.He: "Stress-location measurement along an optical fiber by synthesis of triangle-shape optical coherence function"IEEE Photonics Technology Letters. 13・3. (2001)
• [Publications] B.Zhu and K.Hotate: "Multiplexed optical fiber interferometric sensor system by synthesis of optical coherence function with phase generated carrier"Optical Review. 8・3. (2001)
• [Publications] K.Hotate,Z.-Y.He and T.Kitazume: "Surface shape measurement for multi-layered object by synthesis of optical coherence function"J.of Selected Topics in Quantum Electronics. 6・5. 723-729 (2000)
• [Publications] K.Hotate: "Fiber Optic distribution sensing for smart materials and structures by synthesis of optical coherence function"Proc.International Conference on Processing and Manufacturing of Advanced Materials. <Invited>. (2000)
• [Publications] K.Hotate and M.Tanaka: "Distributed fiber Brillouin strain sensing with 1cm spatial resolution by correlation-based countinuous wave technique"Proc.14th International Conference on Optical Fiber Sensors (OFS-14). <Invited>. 647-650 (2000)
• [Publications] K.Hotate and T.Hasegawa: "A correlation-based continuous-wave technique for measuring Brillouin gain spectrum distribution along an optical fiber with centimeter-order spatial resolution"Proc.14th International Conference on Optical Fiber Sensors (OFS-14). <Invited>. 651-661 (2000)
• [Publications] 保立和夫: "光ファイバセンシング技術の新展開「新しいフォトニクス時代の材料とデバイス」"ティー・アイ・シー. 82-91 (2000)