什么是地震？
就在6月17日，宜賓市長寧縣（四川?。┯职l(fā)生了6.0級地震。地震經(jīng)常給人類造成巨大的財產(chǎn)損失，有的家庭甚至因此而變得支離破碎。所以我們科研工作者也一直在不松懈的努力，爭取早一天讓人類可以逃離地震這個夢魘的詛咒。
地震其實頻頻發(fā)生在我們身邊，據(jù)中國地震臺統(tǒng)計，中國近6個月，每個月都有數(shù)十次的地震發(fā)生。
圖片來源于網(wǎng)絡(luò)
地震是地球表層或表層下的振動所造成的地面震動，可由自然現(xiàn)象如地殼運動、火山活動及隕石撞擊引起，亦可由人為活動如地下核試驗造成，不過歷史上主要的災(zāi)害性地震都由地殼的突然運動所造成。地震的影響力涵蓋巖石圈及水圈──當?shù)卣鸢l(fā)生時，可能會連帶引發(fā)地表斷裂、大地震動、土壤液化、山崩、余震、海嘯、甚至是火山活動，并影響人類的生存及活動。
如何探測地震呢？
想了解如何探測地震首先我們要了解什么是彈性回跳理論。彈性回跳理論（又稱彈性反跳理論）是一個解釋發(fā)生地震原因的理論。
即假設(shè)地殼為彈性體，則受到應(yīng)力行為時，會不斷的變形并且累積應(yīng)變能量。當應(yīng)變能量累積到超過巖體中弱面強度時，巖體就會沿著此弱面滑動造成地震。此弱面就是一般所稱的斷層。
如下圖所示：
Time 1：假設(shè)粗灰色實線為已存在弱面，紅色十字為參考點。
Time 2：巖體受到黑色箭頭的力，開始在藍色區(qū)域內(nèi)變形累積能量，并且變形。累積能量這個過程可能持續(xù)數(shù)個月，也可能是數(shù)千年。
Time 3：累積能量超過巖體強度，巖體沿著箭頭方向作相對位移，釋放累積能量。這些能量以熱能或地震波或其它方式呈現(xiàn)，地震波則是造成地震的原因。此一過程在數(shù)秒到數(shù)分鐘之內(nèi)結(jié)束。
彈性回跳理論。圖片來源于網(wǎng)絡(luò)
根據(jù)上述的彈性回跳理論，造成地震的原因是巖石中斷層的破裂。當斷層破裂時，兩側(cè)的巖體會相對移動并釋放出累積的能量。雖然其中大部分的能量在都克服摩擦力中損失為熱能，但是剩下的部分則轉(zhuǎn)換為動能，并以彈性波的形式散發(fā)出去，這些波稱為地震波。地震波是地震的直接表現(xiàn)，因此，研究地震波的到來時間、大小、振動方式等，就可以了解一個地震的發(fā)生時間、大小、發(fā)生機制等，進而研究地震。
如何研究地震波
在地震學中，研究地震波一直是探測地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)最有效的手段。那么什么是地震波？如何研究它？
地震波（又叫Seismic Wave）是指以地震為能量來源的波動。當?shù)卣鸢l(fā)生時，人們通常會因為地震波的傳播而感覺到地面“搖晃”。地震波是一種由震源發(fā)出，在地球內(nèi)部傳播的波。地震波主要分為三種：實體波、面波和尾波。
實體波是能在物體（此處尤指地球）傳遞的波，也是最常出現(xiàn)在新聞媒體討論中的波；面波由實體波產(chǎn)生，以在物體表面?zhèn)鬟f為主，甚少到達地表以下的地方；尾波則是最后由其他波與地形相互作用產(chǎn)生的，最后到達地震觀測者的儀器。理論上一場典型的地震發(fā)生時，以上三種波都會出現(xiàn)，不過實際上并不是每一場地震都能觀測到明顯的面波和尾波。
科研工作這通常研究的是實體波，實體波又被分為“縱波”（“P波”），“橫波”（“S波”）。
地震儀紀錄下的地震波，紅線是先到來的P波，綠線是較晚的S波。圖片來源于網(wǎng)絡(luò)
P波是最早到達的波。地球物質(zhì)在實體波經(jīng)過時，可以在三個方向（上下、左右、前后）上產(chǎn)生震動。P波產(chǎn)生的主要是壓縮力。
P波的傳遞示意圖，注意不同網(wǎng)格線間疏密的變化。圖片來源于網(wǎng)絡(luò)
S波到來的比P波晚，同樣是由地震的巖石錯位直接產(chǎn)生。S波產(chǎn)生的主要是剪切力。
S波的傳遞示意圖。圖片來源于網(wǎng)絡(luò)
如何科學監(jiān)測地震波？
現(xiàn)代地震儀通過探測地震波, 得到地震記錄來研究震源、地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和地震波本身，并實現(xiàn)臨震預(yù)報。但是, 傳統(tǒng)的地震波探測系統(tǒng)普遍存在著靈敏度低、動態(tài)范圍小、漏電、供電困難等問題，限制了地震預(yù)報技術(shù)的發(fā)展。
而一種基于分布反饋的（DFB）光纖激光器作為傳感元件的地震波傳感器具有極大的應(yīng)用前景。
那么什么是光纖激光型傳感器呢？
我們都知道光纖具有體積小，重量輕，本征絕緣和抗電磁干擾等優(yōu)點，普遍應(yīng)用于光通信和光傳感領(lǐng)域。
光纖。圖片來源于網(wǎng)絡(luò)
之所以光纖可以傳感，一般是因為科研工作者們在光纖上加工了特殊的結(jié)構(gòu)，這種特殊的結(jié)構(gòu)對光波的傳輸起到了濾波的左右（可以理解為反射或者投射一部分信號光用于傳感）。比如加了周期性折射率變化的結(jié)構(gòu)就制成了光纖光柵（FBG）。
光纖光柵的結(jié)構(gòu)，折射率剖面和光譜響應(yīng)
而兩個匹配的光柵和摻稀土有源光纖組成一個法布里-珀羅( F-P)諧振腔。
分布式布拉格反射光纖激光器結(jié)構(gòu)原理圖
在光柵帶通濾波和法布里-珀羅腔選頻的共同作用下,有源光纖中在抽運激光作用下產(chǎn)生的寬帶熒光譜中的特定部分在腔內(nèi)來回反射的同時得到不斷放大,最終形成激光。
待測信號作用在激光器上引起激光頻率變化, 采用偏振無關(guān)的非平衡邁克耳孫光纖干涉儀將激光頻率變化轉(zhuǎn)化為干涉儀相位變化。干涉儀輸出的信號經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后, 用采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入計算機,最后利用改進的歸一化相位載波( PGC)解調(diào)技術(shù), 實現(xiàn)信號的高分辨率解調(diào)。
分布式反饋光纖激光器典型原理
如今中科院半導體所光電系統(tǒng)實驗室研制的基于光纖激光器傳感器制成的傳感器作為地震波的核心敏感元件已經(jīng)開始了湖試和海試。并取得了良好的頻率響應(yīng)結(jié)果。
塔吊下放基于光纖激光器傳感器的地震儀至湖面
DFB 光纖激光器具有極窄的線寬，結(jié)合高分辨率的干涉式波長位移解調(diào)技術(shù)，能夠得到極高的探測分辨率。光纖激光型地震檢波器既具有光纖光柵檢波器波長編碼（即可以實現(xiàn)單纖16波長DFB光纖激光器陣列作業(yè)）、抗干擾能力強、探頭尺寸小、易于組網(wǎng)的優(yōu)點，又具有干涉型檢波器靈敏度極高的優(yōu)點，因而有望在地震監(jiān)測中擔當重任。
不過目前地震預(yù)測還只能提前十幾秒或者數(shù)十秒，這樣我們還是要學會如何在突發(fā)地震中保護好自己。
來源：中國科學院半導體研究所
