Tehnologija laserskog izvora zaoptičko vlaknoosjećanje Prvi dio
Tehnologija detekcije optičkim vlaknima je vrsta tehnologije detekcije razvijene zajedno s tehnologijom optičkih vlakana i tehnologijom komunikacije optičkim vlaknima te je postala jedna od najaktivnijih grana fotoelektrične tehnologije. Sustav detekcije optičkim vlaknima uglavnom se sastoji od lasera, prijenosnog vlakna, osjetilnog elementa ili područja modulacije, detekcije svjetlosti i drugih dijelova. Parametri koji opisuju karakteristike svjetlosnog vala uključuju intenzitet, valnu duljinu, fazu, stanje polarizacije itd. Ovi parametri mogu se mijenjati vanjskim utjecajima u prijenosu optičkim vlaknima. Na primjer, kada temperatura, naprezanje, tlak, struja, pomak, vibracije, rotacija, savijanje i kemijske količine utječu na optički put, ti se parametri mijenjaju sukladno tome. Optička detekcija optičkih vlakana temelji se na odnosu između tih parametara i vanjskih čimbenika za detekciju odgovarajućih fizičkih veličina.
Postoje mnoge vrstelaserski izvorkoristi se u sustavima senzora s optičkim vlaknima, koji se mogu podijeliti u dvije kategorije: koherentnilaserski izvorii nekoherentni izvori svjetlosti, nekoherentniizvori svjetlostiuglavnom uključuju žarulje sa žarnom niti i svjetleće diode, a koherentni izvori svjetlosti uključuju lasere na čvrstom sredstvu, tekuće lasere, plinske lasere,poluvodički laserivlaknasti laserSljedeće je uglavnom zaizvor laserske svjetlostiŠiroko korišteni u području optičkih senzora posljednjih godina: jednofrekventni laser uske širine linije, laser s frekvencijom pomicanja jedne valne duljine i bijeli laser.
1.1 Zahtjevi za usku širinu linijeizvori laserske svjetlosti
Optički sustav za detekciju vlakana ne može se odvojiti od laserskog izvora, jer izmjereni svjetlosni val nosioca signala, same performanse laserskog izvora svjetlosti, poput stabilnosti snage, širine laserske linije, faznog šuma i drugih parametara na udaljenost detekcije, točnost detekcije, osjetljivost i karakteristike šuma optičkog sustava za detekciju vlakana, igraju odlučujuću ulogu. Posljednjih godina, razvojem optičkih sustava za detekciju vlakana ultra visoke rezolucije na velike udaljenosti, akademska zajednica i industrija postavili su strože zahtjeve za performanse širine linije laserske minijaturizacije, uglavnom u: tehnologiji refleksije u optičkoj frekvencijskoj domeni (OFDR) koja koristi koherentnu tehnologiju detekcije za analizu signala raspršenih po Backrayleighu optičkih vlakana u frekvencijskoj domeni, sa širokim pokrivanjem (tisuće metara). Prednosti visoke rezolucije (milimetarska rezolucija) i visoke osjetljivosti (do -100 dBm) postale su jedna od tehnologija sa širokim potencijalom primjene u distribuiranoj tehnologiji mjerenja i detekcije optičkih vlakana. Srž OFDR tehnologije je korištenje podesivog izvora svjetlosti za postizanje optičkog podešavanja frekvencije, tako da performanse laserskog izvora određuju ključne čimbenike kao što su domet detekcije OFDR-a, osjetljivost i rezolucija. Kada je udaljenost točke refleksije blizu koherentne duljine, intenzitet signala otkucaja bit će eksponencijalno smanjen koeficijentom τ/τc. Za Gaussov izvor svjetlosti spektralnog oblika, kako bi se osiguralo da frekvencija otkucaja ima vidljivost veću od 90%, odnos između širine linije izvora svjetlosti i maksimalne duljine detekcije koju sustav može postići je Lmax~0,04vg/f, što znači da je za vlakno duljine 80 km širina linije izvora svjetlosti manja od 100 Hz. Osim toga, razvoj drugih primjena također postavlja veće zahtjeve za širinu linije izvora svjetlosti. Na primjer, u sustavu optičkih vlakana s hidrofonom, širina linije izvora svjetlosti određuje šum sustava, a također određuje minimalni mjerljivi signal sustava. U Brillouinovom optičkom reflektoru u vremenskoj domeni (BOTDR), rezolucija mjerenja temperature i naprezanja uglavnom je određena širinom linije izvora svjetlosti. U rezonatorskom optičkom žiroskopu, koherentna duljina svjetlosnog vala može se povećati smanjenjem širine linije izvora svjetlosti, čime se poboljšava finoća i dubina rezonancije rezonatora, smanjuje širina linije rezonatora i osigurava točnost mjerenja optičkog žiroskopa.
1.2 Zahtjevi za izvore laserskog zračenja
Laser s jednom valnom duljinom ima fleksibilne performanse podešavanja valne duljine, može zamijeniti lasere s više izlaza fiksne valne duljine, smanjiti troškove izgradnje sustava i neizostavan je dio sustava za detekciju optičkih vlakana. Na primjer, kod detekcije tragova plina pomoću vlakana, različite vrste plinova imaju različite vrhove apsorpcije plina. Kako bi se osigurala učinkovitost apsorpcije svjetlosti kada je mjerni plin dovoljan i postigla veća osjetljivost mjerenja, potrebno je uskladiti valnu duljinu izvora svjetlosti za prijenos s vrhom apsorpcije molekule plina. Vrsta plina koja se može detektirati u biti je određena valnom duljinom izvora svjetlosti za detekciju. Stoga, laseri uske širine linije sa stabilnim performansama podešavanja širokopojasnog signala imaju veću fleksibilnost mjerenja u takvim sustavima za detekciju. Na primjer, u nekim distribuiranim sustavima za detekciju optičkih vlakana temeljenim na refleksiji optičke frekvencijske domene, laser treba brzo periodično mijenjati kako bi se postigla visokoprecizna koherentna detekcija i demodulacija optičkih signala, pa brzina modulacije laserskog izvora ima relativno visoke zahtjeve, a brzina mijenjanja podesivog lasera obično mora doseći 10 pm/μs. Osim toga, laser uske širine linije s podesivom valnom duljinom može se široko koristiti u liDAR-u, laserskom daljinskom istraživanju i spektralnoj analizi visoke rezolucije te drugim područjima istraživanja. Kako bi se zadovoljili zahtjevi visokih parametara performansi podešavanja propusnosti, točnosti podešavanja i brzine podešavanja lasera jedne valne duljine u području optičkih vlakana, opći cilj proučavanja podesivih optičkih vlakana uske širine posljednjih godina je postizanje visokopreciznog podešavanja u širem rasponu valnih duljina na temelju traženja ultra-uske širine laserske linije, ultra-niskog faznog šuma i ultra-stabilne izlazne frekvencije i snage.
1.3 Potražnja za izvorom bijele laserske svjetlosti
U području optičkog osjećanja, visokokvalitetni bijeli laser od velikog je značaja za poboljšanje performansi sustava. Što je širi spektar pokrivenosti bijelog lasera, to je njegova primjena u sustavu optičkog osjećanja vlaknima veća. Na primjer, kada se za izgradnju senzorske mreže koristi vlaknasta Braggova rešetka (FBG), za demodulaciju se može koristiti spektralna analiza ili metoda usklađivanja podesivih filtera. Prva metoda koristi spektrometar za izravno testiranje svake rezonantne valne duljine FBG-a u mreži. Potonja koristi referentni filter za praćenje i kalibraciju FBG-a u osjećanju, a oboje zahtijeva širokopojasni izvor svjetlosti kao testni izvor svjetlosti za FBG. Budući da će svaka FBG pristupna mreža imati određeni gubitak umetanja i ima propusnost veću od 0,1 nm, istovremena demodulacija više FBG-ova zahtijeva širokopojasni izvor svjetlosti velike snage i velike propusnosti. Na primjer, kada se za osjećanje koristi dugoperiodična vlaknasta rešetka (LPFG), budući da je propusnost jednog vrha gubitka reda veličine 10 nm, potreban je širokospektralni izvor svjetlosti s dovoljnom propusnošću i relativno ravnim spektrom kako bi se točno okarakterizirale karakteristike njegovih rezonantnih vrhova. Posebno, akustična vlaknasta rešetka (AIFG) konstruirana korištenjem akustooptičkog efekta može postići raspon podešavanja rezonantne valne duljine do 1000 nm pomoću električnog podešavanja. Stoga, dinamičko ispitivanje rešetke s takvim ultra širokim rasponom podešavanja predstavlja veliki izazov za raspon propusnosti širokospektralnog izvora svjetlosti. Slično tome, posljednjih godina, nagnuta Braggova vlaknasta rešetka također se široko koristi u području detekcije vlakana. Zbog svojih karakteristika spektra gubitka s više vrhova, raspon raspodjele valnih duljina obično može doseći 40 nm. Njezin mehanizam detekcije obično je usporedba relativnog kretanja između više vrhova prijenosa, pa je potrebno u potpunosti izmjeriti njegov spektar prijenosa. Potrebna je veća propusnost i snaga širokospektralnog izvora svjetlosti.
2. Status istraživanja u zemlji i inozemstvu
2.1 Izvor laserske svjetlosti uske širine linije
2.1.1 Poluvodički laser s distribuiranom povratnom spregom uske širine linije
Godine 2006., Cliche i suradnici smanjili su MHz skalu poluvodičaDFB laser(distribuirani laser s povratnom vezom) na kHz skalu korištenjem metode električne povratne veze; Godine 2011., Kessler i suradnici koristili su niskotemperaturnu i visoko stabilnu monokristalnu šupljinu u kombinaciji s aktivnom kontrolom povratne veze kako bi dobili laserski izlaz ultra-uske širine linije od 40 MHz; Godine 2013., Peng i suradnici dobili su poluvodički laserski izlaz sa širinom linije od 15 kHz korištenjem metode vanjskog podešavanja povratne veze Fabry-Perot (FP). Metoda električne povratne veze uglavnom je koristila povratnu vezu stabilizacije frekvencije Pond-Drever-Hall kako bi se smanjila širina laserske linije izvora svjetlosti. Godine 2010., Bernhardi i suradnici proizveli su 1 cm erbijem dopiranog aluminijevog oksida FBG na podlozi od silicijevog oksida kako bi dobili laserski izlaz sa širinom linije od oko 1,7 kHz. Iste godine, Liang i suradnici... koristio je povratnu vezu samoinjektiranja povratnog Rayleighovog raspršenja nastalog rezonatorom visokokvalitetne jeke za kompresiju širine linije poluvodičkog lasera, kao što je prikazano na slici 1, i konačno dobio laserski izlaz uske širine linije od 160 Hz.
Sl. 1 (a) Dijagram kompresije širine linije poluvodičkog lasera na temelju samoinjektiranja Rayleighovog raspršenja vanjskog rezonatora moda šapućuće galerije;
(b) Frekvencijski spektar slobodnog poluvodičkog lasera sa širinom linije od 8 MHz;
(c) Frekvencijski spektar lasera sa širinom linije komprimiranom na 160 Hz
2.1.2 Vlaknasti laser uske širine linije
Kod linearnih vlaknastih lasera s šupljinom, laserski izlaz uske širine linije jednog longitudinalnog moda dobiva se skraćivanjem duljine rezonatora i povećanjem intervala longitudinalnog moda. Godine 2004. Spiegelberg i suradnici postigli su laserski izlaz uske širine linije jednog longitudinalnog moda sa širinom linije od 2 kHz korištenjem DBR metode kratke šupljine. Godine 2007. Shen i suradnici koristili su 2 cm jako dopirano erbijem silicijsko vlakno za zapisivanje FBG-a na fotoosjetljivo vlakno ko-dopirano Bi-Ge i spojili ga s aktivnim vlaknom kako bi formirali kompaktnu linearnu šupljinu, čineći širinu laserske izlazne linije manjom od 1 kHz. Godine 2010. Yang i suradnici koristili su 2 cm jako dopiranu kratku linearnu šupljinu u kombinaciji s uskopojasnim FBG filterom kako bi dobili laserski izlaz jednog longitudinalnog moda sa širinom linije manjom od 2 kHz. Godine 2014., tim je koristio kratku linearnu šupljinu (virtualni presavijeni prstenasti rezonator) u kombinaciji s FBG-FP filterom kako bi dobio laserski izlaz s užom širinom linije, kao što je prikazano na slici 3. Godine 2012., Cai i suradnici koristili su strukturu kratke šupljine od 1,4 cm kako bi dobili polarizirajući laserski izlaz s izlaznom snagom većom od 114 mW, središnjom valnom duljinom od 1540,3 nm i širinom linije od 4,1 kHz. Godine 2013., Meng i suradnici koristili su Brillouinovo raspršenje vlakna dopiranog erbijem s kratkom prstenastom šupljinom uređaja s očuvanjem pune pristranosti kako bi dobili laserski izlaz s jednim uzdužnim modom i niskim faznim šumom s izlaznom snagom od 10 mW. Godine 2015., tim je koristio prstenastu šupljinu sastavljenu od vlakna dopiranog erbijem od 45 cm kao medij za pojačanje Brillouinova raspršenja kako bi dobio laserski izlaz s niskim pragom i uskom širinom linije.
Sl. 2 (a) Shematski prikaz SLC vlaknastog lasera;
(b) Oblik linije heterodinskog signala izmjerenog s vlaknom od 97,6 km
Vrijeme objave: 20. studenog 2023.