Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section d'électricité, Institut de transmissions, ondes et photonique ITOP

Extreme temperature sensing using Brillouin scattering in optical fibers

Fellay, Alexandre ; Robert, Philippe Alain (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2003 ; no 2728.

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    Summary
    Stimulated Brillouin scattering in silica-based optical fibers may be considered from two different and complementary standpoints. For a physicist, this interaction of light and pressure wave in a material, or equivalently in quantum theory terms between photons and phonons, gives some glimpses of the atomic structure of the solid and of its vibration modes. For an applied engineer, the same phenomenon may be put to good use as a sensing mechanism for distributed measurements, thanks to the dependence of the scattered light on external parameters such as the temperature, the pressure or the strain applied to the fiber. As far as temperature measurements are concerned, Brillouin-based distributed sensors have progressively gained wide recognition as efficient systems, even if their rather high cost still restricts the number of their applications. Yet they are generally used in a relatively narrow temperature range around the usual ambient temperature; in this domain, the frequency of the scattered light increases linearly with the increase in temperature. The extension of this range toward higher (up to 800°C) and lower (down to 1 K) temperature is the main aim of this thesis. In both cases, our measurements on various fiber samples show that the aforementioned linearity does not hold. Most notably, the characteristics of Brillouin scattering at low and very low temperature are strikingly different from those observed under normal conditions; they are directly related to the disordered nature of the silica that constitutes the fiber, what motivates the large place we here devote to the physics of amorphous solids. Despite the observed nonlinearities, our results demonstrate the feasibility of thermometry based on Brillouin scattering over the full investigated temperature range. We can thus swap in the last part of this work the physicist’s point of view for that of an engineer and present the setup and the performances of a sensor, or rather of a whole family of sensors we have tested and improved in the course of the last few years; moreover, some real measurement examples are given. Finally, we propose some possibilities of further enhancement, that remain right now at the preliminary stage of their development.
    Résumé
    La diffusion Brillouin stimulée dans les fibres optiques à base de silice peut être considérée selon deux points de vue différents mais complémentaires. Pour le physicien, cette interaction entre lumière et ondes de pression dans un matériau, ou entre photons et phonons si l’on préfère s’exprimer en termes quantiques, ouvre des perspectives sur la structure de la matière et sur ses modes de vibration. Pour l’ingénieur, elle est un phénomène dont on peut tirer avantage pour effectuer des mesures distribuées, puisque la fréquence de la lumière diffusée varie en fonction de paramètres externes à la fibre comme la température, la pression ou les forces exercées sur elle. En ce qui concerne la mesure de la température, les capteurs distribués basés sur l’effet Brillouin ont peu à peu acquis le statut de technique reconnue. Cependant, ils ne sont en général mis en oeuvre que sur une plage de températures relativement restreinte, autour de la température ambiante, où la fréquence diffusée augmente linéairement quand la température monte. L’extension de cette gamme de températures vers le haut (800°C) et vers le bas (1 K) est l’objectif principal de cette thèse. Dans les deux cas, nos mesures sur différents échantillons de fibres montrent que le comportement linéaire disparaît. Les caractéristiques de la diffusion Brillouin à basses et très basses températures en particulier sont très différentes de celles observées sous conditions normales; elles sont directement liées à la nature désordonnée de la silice constituant les fibres, ce qui motive la place importante donnée ici à la physique des matériaux amorphes. Dans la dernière partie de ce travail, nous troquons les lunettes du physicien pour celles de l’ingénieur et présentons la construction, le mode de fonctionnement et les performances d’un capteur, ou mieux d’une famille de capteurs testés et améliorés au cours des dernières années, ainsi que des exemples concrets de mesures aussi bien dans le domaine usuel de températures qu’en cryogénie. Enfin, deux pistes possibles de développement, sur lesquelles le travail n’en est encore qu’à la phase préliminaire, seront proposées.