Tehnologija laserskog izvora zaoptičko vlaknoosjetivši prvi dio
Tehnologija senzora optičkih vlakana vrsta je tehnologije senzora razvijena zajedno s tehnologijom optičkih vlakana i komunikacijskom tehnologijom optičkih vlakana, a postala je jedna od najaktivnijih grana fotoelektrične tehnologije.Senzorski sustav optičkih vlakana uglavnom se sastoji od lasera, prijenosnih vlakana, senzorskog elementa ili područja modulacije, detekcije svjetla i drugih dijelova.Parametri koji opisuju karakteristike svjetlosnog vala uključuju intenzitet, valnu duljinu, fazu, stanje polarizacije itd. Ovi parametri mogu biti promijenjeni vanjskim utjecajima u prijenosu optičkim vlaknom.Na primjer, kada temperatura, naprezanje, tlak, struja, pomak, vibracija, rotacija, savijanje i kemijska količina utječu na optički put, ti se parametri mijenjaju na odgovarajući način.Senzor optičkih vlakana temelji se na odnosu između ovih parametara i vanjskih čimbenika za otkrivanje odgovarajućih fizičkih veličina.
Postoje mnoge vrstelaserski izvorkoristi se u senzorskim sustavima optičkih vlakana, koji se mogu podijeliti u dvije kategorije: koherentnilaserski izvorii nekoherentni izvori svjetlosti, nekoherentniizvora svjetlostiuglavnom uključuju žarnu svjetlost i diode koje emitiraju svjetlost, a koherentni izvori svjetlosti uključuju čvrste lasere, tekuće lasere, plinske lasere,poluvodički laserivlaknasti laser.Sljedeće je uglavnom zalaserski izvor svjetlostinaširoko korišten u području detekcije vlakana posljednjih godina: jednofrekventni laser uske širine linije, laser s frekvencijom prelaska jedne valne duljine i bijeli laser.
1.1 Zahtjevi za usku širinu linijelaserski izvori svjetlosti
Senzorski sustav optičkih vlakana ne može se odvojiti od laserskog izvora, jer je izmjereni svjetlosni val prijenosnika signala, sama izvedba izvora laserskog svjetla, kao što su stabilnost snage, širina linije lasera, fazni šum i drugi parametri na udaljenosti otkrivanja senzorskog sustava optičkih vlakana, otkrivanje točnost, osjetljivost i karakteristike šuma igraju odlučujuću ulogu.Posljednjih godina, s razvojem senzorskih sustava optičkih vlakana ultravisoke razlučivosti na velikim udaljenostima, akademska zajednica i industrija iznijele su strože zahtjeve za izvedbu širine linije laserske minijaturizacije, uglavnom u: tehnologiji refleksije optičke frekvencijske domene (OFDR) koja koristi koherentnu detekcijska tehnologija za analizu backrayleigh raspršenih signala optičkih vlakana u frekvencijskoj domeni, sa širokim pokrivanjem (tisuće metara).Prednosti visoke razlučivosti (milimetarska razlučivost) i visoke osjetljivosti (do -100 dBm) postale su jedna od tehnologija sa širokim izgledima za primjenu u distribuiranoj tehnologiji mjerenja i očitavanja 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 OFDR raspon detekcije, osjetljivost i razlučivost.Kada je udaljenost točke refleksije blizu duljine koherencije, intenzitet signala otkucaja bit će eksponencijalno prigušen koeficijentom τ/τc.Za Gaussov izvor svjetlosti spektralnog oblika, kako bi se osiguralo da frekvencija otkucaja ima više od 90% vidljivosti, odnos između širine linije izvora svjetlosti i maksimalne duljine senzora 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 aplikacija također je postavio veće zahtjeve za širinu linije izvora svjetlosti.Na primjer, u hidrofonskom sustavu s optičkim vlaknima, širina linije izvora svjetlosti određuje šum sustava i također određuje minimalni mjerljivi signal sustava.U Brillouin optičkom reflektoru u vremenskoj domeni (BOTDR), rezolucija mjerenja temperature i naprezanja uglavnom je određena širinom linije izvora svjetlosti.U rezonatorskom žiroskopu s optičkim vlaknima, duljina koherencije svjetlosnog vala može se povećati smanjenjem širine linije izvora svjetlosti, čime se poboljšava finoća i dubina rezonancije rezonatora, smanjuje širina linije rezonatora i osigurava mjerenje točnost optičkog žiroskopa.
1.2 Zahtjevi za izvore sweep lasera
Jednostruki laser za mjerenje valne duljine ima fleksibilne performanse podešavanja valne duljine, može zamijeniti višestruke izlazne lasere fiksne valne duljine, smanjiti troškove konstrukcije sustava, neizostavan je dio senzorskog sustava optičkih vlakana.Na primjer, kod detekcije vlakana u tragovima plina, 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 valnu duljinu prijenosnog izvora svjetlosti uskladiti s vrhom apsorpcije molekule plina.Tip plina koji se može detektirati u osnovi je određen valnom duljinom senzorskog izvora svjetlosti.Stoga laseri uske širine linije sa stabilnim performansama širokopojasnog ugađanja imaju veću fleksibilnost mjerenja u takvim senzorskim sustavima.Na primjer, u nekim distribuiranim senzorskim sustavima optičkih vlakana koji se temelje na refleksiji optičke frekvencijske domene, laser se mora brzo i povremeno pomicati kako bi se postigla visokoprecizna koherentna detekcija i demodulacija optičkih signala, tako da brzina modulacije laserskog izvora ima relativno visoke zahtjeve. , a brzina snimanja podesivog lasera obično mora doseći 10 pm/μs.Osim toga, laser s uskom širinom linije podesive valne duljine također se može naširoko koristiti u liDAR-u, laserskom daljinskom očitavanju i spektralnoj analizi visoke rezolucije i drugim senzorskim poljima.Kako bi se zadovoljili zahtjevi visokih performansi parametara ugađanja pojasne širine, točnosti ugađanja i brzine ugađanja lasera s jednom valnom duljinom u području detekcije vlakana, opći cilj proučavanja podesivih vlaknastih lasera uske širine posljednjih godina je postići visoku precizno ugađanje u većem rasponu valnih duljina na temelju potrage za ultra-uskom širinom linije lasera, ultra-niskim faznim šumom i ultra-stabilnom izlaznom frekvencijom i snagom.
1.3 Potražnja za bijelim laserskim izvorom svjetlosti
U području optičkog očitavanja, visokokvalitetni laser bijelog svjetla od velike je važnosti za poboljšanje performansi sustava.Što je širi spektar pokrivenosti lasera bijele svjetlosti, to je veća njegova primjena u senzorskom sustavu optičkih vlakana.Na primjer, kada se koristi vlaknasta Braggova rešetka (FBG) za konstrukciju senzorske mreže, spektralna analiza ili metoda usklađivanja podesivog filtra može se koristiti za demodulaciju.Prvi je koristio spektrometar za izravno testiranje svake FBG rezonantne valne duljine u mreži.Potonji koristi referentni filtar za praćenje i kalibraciju FBG-a u očitavanju, a oba zahtijevaju 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-a zahtijeva širokopojasni izvor svjetlosti velike snage i velike propusnosti.Na primjer, kada se koristi dugoperiodična fiber grating (LPFG) za očitavanje, budući da je širina pojasa jednog vrha gubitka reda veličine 10 nm, potreban je izvor svjetlosti širokog spektra s dovoljnom širinom pojasa i relativno ravnim spektrom za točnu karakterizaciju njegove rezonancije vršne karakteristike.Konkretno, rešetka od akustičnih vlakana (AIFG) konstruirana korištenjem akusto-optičkog učinka može postići raspon ugađanja rezonantne valne duljine do 1000 nm pomoću električnog ugađanja.Stoga ispitivanje dinamičke rešetke s tako ultra širokim rasponom ugađanja predstavlja veliki izazov za raspon propusnosti izvora svjetlosti širokog spektra.Slično, posljednjih godina, nagnuta Braggova vlaknasta rešetka također se široko koristi u području detekcije vlakana.Zbog karakteristika spektra gubitaka s više vrhova, raspon distribucije valne duljine obično može doseći 40 nm.Njegov senzorski mehanizam obično je usporedba relativnog kretanja između višestrukih vršnih prijenosa, tako da je potrebno u potpunosti izmjeriti njegov spektar prijenosa.Propusnost i snaga izvora svjetlosti širokog spektra moraju biti veće.
2. Istraživački status u zemlji i inozemstvu
2.1 Laserski izvor svjetlosti uske širine linije
2.1.1 Poluvodički laser s distribuiranom povratnom spregom uske širine linije
Godine 2006. Cliche i sur.smanjio MHz ljestvicu poluvodičaDFB laser(laser s distribuiranom povratnom spregom) u skali kHz korištenjem metode električne povratne sprege;Godine 2011. Kessler i sur.korištena niskotemperaturna i visokostabilna monokristalna šupljina u kombinaciji s aktivnom povratnom spregom kako bi se dobio laserski izlaz ultra uske širine linije od 40 MHz;Godine 2013. Peng i suradnici dobili su poluvodički laserski izlaz s širinom linije od 15 kHz korištenjem metode vanjskog Fabry-Perot (FP) podešavanja povratne sprege.Metoda električne povratne sprege uglavnom je koristila Pond-Drever-Hall povratnu spregu stabilizacije frekvencije kako bi se smanjila širina laserske linije izvora svjetlosti.Godine 2010. Bernhardi i sur.proizveo 1 cm FBG aluminijevog oksida dopiranog erbijem na podlozi od silicij oksida kako bi dobio laserski izlaz sa širinom linije od oko 1,7 kHz.Iste godine, Liang et al.upotrijebio povratnu informaciju samoinjektiranja Rayleighovog raspršenja unatrag formiranu rezonatorom stijenke odjeka visokog Q za kompresiju širine linije poluvodičkog lasera, kao što je prikazano na slici 1, i konačno dobio laserski izlaz uske širine linije od 160 Hz.
Slika 1 (a) Dijagram kompresije širine linije poluvodičkog lasera na temelju samoinjektiranja Rayleighovog raspršenja vanjskog modnog rezonatora šaptajuće galerije;
(b) Frekvencijski spektar slobodnog rada poluvodičkog lasera širine linije od 8 MHz;
(c) Frekvencijski spektar lasera sa širinom linije komprimiranom na 160 Hz
2.1.2 Laser s vlaknima uske širine linije
Za lasere s vlaknima s linearnom šupljinom, laserski izlaz uske širine linije jednog uzdužnog moda dobiva se skraćivanjem duljine rezonatora i povećanjem intervala longitudinalnog moda.Godine 2004. Spiegelberg et al.dobili su jednostruki uzdužni laserski izlaz uske širine linije s širinom linije od 2 kHz koristeći DBR metodu kratke šupljine.Godine 2007. Shen i sur.koristio je silicijsko vlakno od 2 cm jako dopirano erbijem za ispisivanje FBG-a na Bi-Ge ko-dopirano fotoosjetljivo vlakno, i spojio ga s aktivnim vlaknom kako bi formirao kompaktnu linearnu šupljinu, čineći širinu linije laserskog izlaza manjom od 1 kHz.Godine 2010. Yang i sur.koristio je visoko dopiranu kratku linearnu šupljinu od 2 cm u kombinaciji s uskopojasnim FBG filtrom kako bi dobio laserski izlaz s jednim longitudinalnim modom sa širinom linije manjom od 2 kHz.Godine 2014. tim je upotrijebio kratku linearnu šupljinu (virtualni presavijeni prstenasti rezonator) u kombinaciji s FBG-FP filtrom za dobivanje laserskog izlaza s užom širinom linije, kao što je prikazano na slici 3. Godine 2012., Cai et al.koristio je strukturu kratke šupljine od 1,4 cm za dobivanje izlaza polarizirajućeg lasera 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 sur.upotrijebio je Brillouinovo raspršenje vlakna dopiranog erbijem s kratkom prstenastom šupljinom uređaja za očuvanje pune prednapregnutosti kako bi se dobio laserski izlaz niskofaznog šuma u jednom uzdužnom modu s izlaznom snagom od 10 mW.Godine 2015. tim je koristio prstenastu šupljinu sastavljenu od vlakana dopiranih erbijem od 45 cm kao medij za pojačanje Brillouinovog raspršenja kako bi se dobio laserski izlaz s niskim pragom i uskom širinom linije.
Slika 2 (a) Shematski crtež SLC vlaknastog lasera;
(b) Oblik linije heterodinskog signala izmjeren s kašnjenjem vlakana od 97,6 km
Vrijeme objave: 20. studenoga 2023