Teoría de dispersión de la luz en la fibra óptica

Fibra óptica y el espectro electromagnético

El principio de operación de los sensores de fibra óptica distribuida es basado en un pulso de luz que viaja a través de la fibra óptica y se dispersa en el medio, esta dispersión se da en todas las direcciones de la estructura cilíndrica de la fibra e incluso una porción de esta viaja en dirección contraria a la de la luz incidente, la cual es llamada luz retrodispersada; esta tiene un espectro electromagnético que es detectado por los dispositivos de interrogación, (estarán ubicados en el mismo sistema de lanzamiento del pulso de luz), los cuales poseen sistemas de medidas basados en tres tipos de dispersión; Rayleigh, Raman o Brillouin. Las variaciones en la reflexión característica del pulso de luz dentro de la fibra óptica, dependen de factores que afectan el material mismo tales como temperatura, vibración y tensión.

En el espectro electromagnético las dispersiones Raman y Brillouin tienen dos componentes: stokes y anti-stokes, para el caso Raman el componente anti-stokes es termo-dependiente y a medida que la intensidad de la onda aumenta, también la temperatura aumenta, mientras que los stokes permanecen casi invariables con cambios térmicos, entonces, con la relación directa de ambos componentes se mide la temperatura en cualquier punto de la fibra óptica.

Los sistemas de adquisición basados en esta dispersión Raman son conocidos como DTS (Distributed Temperature Sensors). Los sistemas conocidos como Distributed Strain Sensors (DSS), funcionan mediante la detección de la dispersión Brillouin en la cual se detecta el cambio de frecuencia de la luz retrodispersada con respecto a la frecuencia de la luz incidente, esta relación es dependiente de la tensión en el componente anti-stokes e independiente de éste en los stokes.

Existen también dispositivos conocidos como DTSS (Distributed Temperature and Strain Sensors) que usan la dispersión Brillouin, la cual es dependiente de la tensión y la temperatura en sus componentes stokes y anti-stokes.

La dispersión Rayleigh es la principal señal retrodispersada y es acústico-dependiente, la tensión y la temperatura son medibles con la adecuada identificación de la onda de arribo al dispositivo, estos usualmente reciben el nombre de DVS (Distributed Vibration Sensors) o DAS (Distributed Acoustic Sensors).