基于广义塔尔博特效应（generalized Talbot effect）和强度相关的孪生光束（intensity-correlated twin beams）的量子增强型盐度与温度传感技术

《Optics & Laser Technology》：Quantum-enhanced salinity and temperature sensing based on generalized Talbot effect and intensity-correlated twin beams

光纤传感方案融合广义泰勒效应与强度差压缩光源，通过夹层型单模-无芯-单模光纤结构实现双通道强度相关检测，有效消除共模噪声并突破标准量子极限，在盐度（SNR+1.27dB）和温度（SNR+1.16dB）检测中显著提升测量精度与稳定性，适用于复杂噪声环境。

　　

毛腾辉|王海龙|王东旭|彭成|徐斌|赵春柳

中国吉利朗大学光电技术学院，杭州310018，中国

摘要

我们提出了一种基于三明治型（单模-无芯-单模）光纤传感方案，并通过实验验证了其有效性。该方案结合了广义塔尔博特效应和强度差压缩光源。塔尔博特效应是一种基本波动现象，表现为场模式的周期性再现，在各种波动系统中普遍存在。通过精确调整无芯光纤的参数，我们将干涉最大值定位在传感光束的波长上。由强度差压缩光源产生的信号光束和闲频光束构成强度相关的双光束：信号光束用于实时响应外部变化，而闲频光束作为参考光束，其功率被同步衰减以保持量子相关性，从而提高信噪比（SNR）。实验结果表明，与传统双通道光源方案相比，该方案分别将盐度和温度传感的SNR提高了1.27 dB和1.16 dB。这种提升显著提高了传感器在弱信号检测和复杂噪声环境中的测量精度和稳定性。

引言

近年来，光纤传感技术因其高灵敏度、抗电磁干扰能力和远距离监测能力，已成为结构健康监测[[1], [2], [3]]、环境感知[[4], [5], [6]]和工业安全[[7], [8], [9]]领域的重要工具。其基本原理依赖于光波在光纤中传播时与外部物理参数（如应变、温度和振动等）的相互作用，通过解调光信号的强度、相位或光谱特性实现实时动态传感。与传统电气传感器相比，光纤传感器无需复杂电路，且在高温、高压或腐蚀性环境中仍能保持稳定运行。这些优势使其在桥梁安全评估、油气管道泄漏检测、航天器状态监测等关键应用中得到广泛应用。

特别是，准确监测环境参数（如盐度和温度）对于深入理解全球气候变化、海洋环流动态、生态系统健康和可持续资源管理至关重要。随着监测场景向更高精度和更复杂环境（如海洋流边界、深海热液喷口、核反应堆冷却回路）扩展，一些新的光纤传感技术应运而生。利用低成本、高响应的嵌入式微腔光纤法布里-珀罗干涉仪，已经实现了自然水中的盐度和温度同时测量[10]；还制备了一种基于多模单晶蓝宝石光纤中刻写的光纤布拉格光栅的温度传感器，可在高达1900°C的温度下工作，分辨率优于±2 K[11]；此外，通过独特的光纤末端光聚合和集成技术，开发出一种超紧凑型谐波-维尼埃效应辅助法布里-珀罗干涉仪，其盐度灵敏度是传统法布里-珀罗干涉仪的10倍[12]。

尽管上述传感器的检测性能有所提升，但其传感精度仍受经典噪声的限制。特别是在弱场检测场景中，虽然可以通过双通道差分检测[13], [14], [15], [16]抑制共模噪声，但信噪比（SNR）最终仍受标准量子极限（SQL）的限制。为克服这一问题，我们在色散位移光纤中利用受激四波混频（SFWM）生成了强度相关的双光束[17], [18], [19], [20]（信号波长λ_s = 1533.08 nm，闲频波长λ_i = 1573.4 nm），并通过将信号光束耦合到单模-无芯-单模（SNS）光纤结构[21]中实现了信号-闲频双通道强度相关差分检测。在此过程中，信号光束与无芯光纤内的衰减场相互作用进行传感调制，而闲频光束作为参考光束维持量子压缩状态。实验结果表明，该方案能有效消除共模噪声，突破SQL限制，提高SNR，并在复杂噪声环境下实现更强的弱信号捕获能力和更高的测量精度，为高精度环境监测、复杂工业传感和海洋观测网络提供了可靠的传感策略。

结构与原理

我们的传感单元采用了图1(a)所示的SNS结构，该结构利用无芯光纤对外部折射率变化的高灵敏度，并通过无包层设计实现直接核心暴露以实现盐度传感。当光束从单模光纤传输到无芯光纤时，会激发广义塔尔博特效应。这一物理现象表现为初始场模式的周期性复制。

经典盐度和温度传感

确定无芯光纤的长度后，将按以下步骤进行盐度和温度传感的经典特性研究。在图3(a)的盐度传感实验中，无芯光纤长度设为44.6 mm，传感单元完全浸入NaCl溶液中；而在图3(b)的温度实验中，光纤长度固定为44.3 mm，传感单元紧密贴附在温度控制单元上。

首先进行盐度传感实验

结论

在这项工作中，我们提出了一种基于SNS结构的量子增强型光纤传感系统，并通过实验验证了其有效性。该系统利用广义塔尔博特效应和强度相关的双光束。无芯光纤的长度经过动态优化，以适应盐度和温度传感的需求。第三部分全面分析了经典传感特性，并量化了量子增强方案在平衡测量条件下的SNR提升效果。

CRediT作者贡献声明

毛腾辉：撰写初稿、进行形式分析、数据整理。王海龙：撰写、审稿与编辑、监督研究、进行形式分析、概念构思。王东旭：验证结果、软件开发。彭成：数据可视化、结果验证。徐斌：数据可视化、结果验证。赵春柳：撰写、审稿与编辑、监督研究、争取资金支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究工作的财务利益或个人关系。