Tehnologia sursei laser pentrufibră opticăPartea întâi a senzorului
Tehnologia de detectare prin fibră optică este un tip de tehnologie de detectare dezvoltată împreună cu tehnologia fibrei optice și tehnologia de comunicații prin fibră optică și a devenit una dintre cele mai active ramuri ale tehnologiei fotoelectrice. Sistemul de detectare prin fibră optică este compus în principal din laser, fibră de transmisie, element senzorial sau zonă de modulație, detecție a luminii și alte componente. Parametrii care descriu caracteristicile undei luminoase includ intensitatea, lungimea de undă, faza, starea de polarizare etc. Acești parametri pot fi modificați de influențe externe în transmisia prin fibră optică. De exemplu, atunci când temperatura, deformarea, presiunea, curentul, deplasarea, vibrația, rotația, îndoirea și cantitatea chimică afectează calea optică, acești parametri se modifică corespunzător. Detectarea prin fibră optică se bazează pe relația dintre acești parametri și factorii externi pentru a detecta mărimile fizice corespunzătoare.
Există multe tipuri desursă laserutilizate în sistemele de detectare prin fibră optică, care pot fi împărțite în două categorii: coerentesurse laserși surse de lumină incoerente, incoerentesurse de luminăinclud în principal lumină incandescentă și diode emițătoare de lumină, iar sursele de lumină coerente includ lasere solide, lasere lichide, lasere cu gaz,laser semiconductorşilaser cu fibrăUrmătoarele sunt în principal pentrusursă de lumină laserutilizate pe scară largă în domeniul detectării fibrelor optice în ultimii ani: laser cu frecvență unică și lățime de linie îngustă, laser cu frecvență de baleiaj cu lungime de undă unică și laser alb.
1.1 Cerințe pentru lățimea îngustă a linieisurse de lumină laser
Sistemul de detectare cu fibră optică nu poate fi separat de sursa laser, deoarece unda luminoasă purtătoare a semnalului măsurat, performanța sursei de lumină laser în sine, cum ar fi stabilitatea puterii, lățimea liniei laserului, zgomotul de fază și alți parametri ai distanței de detecție a sistemului de detectare cu fibră optică, precizia detecției, sensibilitatea și caracteristicile zgomotului joacă un rol decisiv. În ultimii ani, odată cu dezvoltarea sistemelor de detectare cu fibră optică de ultra-înaltă rezoluție la distanță lungă, mediul academic și industria au impus cerințe mai stricte pentru performanța lățimii liniei în miniaturizarea laserului, în principal în: tehnologia de reflexie în domeniul frecvenței optice (OFDR) utilizează tehnologia de detecție coerentă pentru a analiza semnalele împrăștiate backrayleigh ale fibrelor optice în domeniul frecvenței, cu o acoperire largă (mii de metri). Avantajele rezoluției înalte (rezoluție la nivel de milimetru) și sensibilității ridicate (până la -100 dBm) au devenit una dintre tehnologiile cu perspective largi de aplicare în tehnologia de măsurare și detectare distribuită cu fibră optică. Nucleul tehnologiei OFDR constă în utilizarea unei surse de lumină reglabile pentru a realiza reglarea frecvenței optice, astfel încât performanța sursei laser determină factorii cheie, cum ar fi raza de detecție OFDR, sensibilitatea și rezoluția. Când distanța punctului de reflexie este apropiată de lungimea de coerență, intensitatea semnalului de pulsare va fi atenuată exponențial de coeficientul τ/τc. Pentru o sursă de lumină gaussiană cu o formă spectrală, pentru a asigura o vizibilitate mai mare de 90% a frecvenței de pulsare, relația dintre lățimea liniei sursei de lumină și lungimea maximă de detectare pe care o poate atinge sistemul este Lmax~0.04vg/f, ceea ce înseamnă că pentru o fibră cu o lungime de 80 km, lățimea liniei sursei de lumină este mai mică de 100 Hz. În plus, dezvoltarea altor aplicații a impus cerințe mai mari pentru lățimea liniei sursei de lumină. De exemplu, în sistemul hidrofon cu fibră optică, lățimea liniei sursei de lumină determină zgomotul sistemului și, de asemenea, determină semnalul minim măsurabil al sistemului. În reflectorul optic Brillouin în domeniul timpului (BOTDR), rezoluția măsurării temperaturii și a tensiunii este determinată în principal de lățimea liniei sursei de lumină. Într-un giroscop cu fibră optică rezonator, lungimea de coerență a undei luminoase poate fi crescută prin reducerea lățimii liniei sursei de lumină, îmbunătățind astfel finețea și adâncimea de rezonanță a rezonatorului, reducând lățimea liniei rezonatorului și asigurând precizia măsurării giroscopului cu fibră optică.
1.2 Cerințe pentru sursele laser de baleiaj
Laserul cu baleiaj cu o singură lungime de undă are performanțe flexibile de reglare a lungimii de undă, poate înlocui laserele cu lungime de undă fixă cu ieșire multiplă, reduce costul construcției sistemului și este o parte indispensabilă a sistemului de detectare cu fibră optică. De exemplu, în detectarea cu fibră de gaze de urme, diferite tipuri de gaze au vârfuri de absorbție diferite. Pentru a asigura eficiența absorbției luminii atunci când gazul de măsurare este suficient și pentru a obține o sensibilitate de măsurare mai mare, este necesar să se alinieze lungimea de undă a sursei de lumină de transmisie cu vârful de absorbție al moleculei de gaz. Tipul de gaz care poate fi detectat este determinat în esență de lungimea de undă a sursei de lumină de detectare. Prin urmare, laserele cu lățime de linie îngustă și performanțe stabile de reglare în bandă largă au o flexibilitate de măsurare mai mare în astfel de sisteme de detectare. De exemplu, în unele sisteme de detectare cu fibră optică distribuită bazate pe reflexia domeniului de frecvență optică, laserul trebuie să fie baleiat periodic rapid pentru a obține o detectare și demodulare coerentă de înaltă precizie a semnalelor optice, astfel încât rata de modulație a sursei laser are cerințe relativ ridicate, iar viteza de baleiaj a laserului reglabil este de obicei necesară pentru a atinge 10 pm/μs. În plus, laserul cu lățime de linie îngustă reglabilă pe lungime de undă poate fi, de asemenea, utilizat pe scară largă în liDAR, teledetecție laser și analiză spectrală de înaltă rezoluție și alte domenii de detectare. Pentru a îndeplini cerințele parametrilor de performanță ridicată privind lățimea de bandă de reglare, precizia de reglare și viteza de reglare a laserelor cu o singură lungime de undă în domeniul detectării fibrei optice, obiectivul general al studierii laserelor cu fibră optică reglabile cu lățime îngustă în ultimii ani este de a obține o reglare de înaltă precizie într-un interval de lungimi de undă mai mare, pe baza urmăririi unei lățimi de linie laser ultra-înguste, a unui zgomot de fază ultra-scăzut și a unei frecvențe și puteri de ieșire ultra-stabile.
1.3 Cererea pentru surse de lumină laser albă
În domeniul detectării optice, laserul cu lumină albă de înaltă calitate este de o importanță deosebită pentru îmbunătățirea performanței sistemului. Cu cât acoperirea spectrală a laserului cu lumină albă este mai largă, cu atât aplicarea sa este mai extinsă în sistemul de detectare cu fibră optică. De exemplu, atunci când se utilizează rețeaua Bragg cu fibră (FBG) pentru a construi o rețea de senzori, se poate utiliza analiza spectrală sau metoda de potrivire a filtrelor reglabile pentru demodulare. Prima metodă utilizează un spectrometru pentru a testa direct fiecare lungime de undă rezonantă a FBG din rețea. Cea de-a doua utilizează un filtru de referință pentru a urmări și calibra FBG în timpul detectării, ambele necesitând o sursă de lumină de bandă largă ca sursă de lumină de testare pentru FBG. Deoarece fiecare rețea de acces FBG va avea o anumită pierdere de inserție și are o lățime de bandă mai mare de 0,1 nm, demodularea simultană a mai multor FBG necesită o sursă de lumină de bandă largă cu putere mare și lățime de bandă mare. De exemplu, atunci când se utilizează o rețea de fibră cu perioadă lungă (LPFG) pentru detectare, deoarece lățimea de bandă a unui singur vârf de pierdere este de ordinul a 10 nm, este necesară o sursă de lumină cu spectru larg, cu o lățime de bandă suficientă și un spectru relativ plat, pentru a caracteriza cu precizie caracteristicile vârfurilor sale rezonante. În special, rețeaua de fibră acustică (AIFG) construită prin utilizarea efectului acusto-optic poate obține un interval de reglare a lungimii de undă rezonante de până la 1000 nm prin intermediul reglării electrice. Prin urmare, testarea dinamică a rețelei cu un astfel de interval de reglare ultra-larg reprezintă o mare provocare pentru intervalul de lățime de bandă al unei surse de lumină cu spectru larg. În mod similar, în ultimii ani, rețeaua de fibră Bragg înclinată a fost, de asemenea, utilizată pe scară largă în domeniul detectării cu fibră. Datorită caracteristicilor sale de spectru de pierdere cu vârfuri multiple, intervalul de distribuție a lungimii de undă poate ajunge de obicei la 40 nm. Mecanismul său de detectare este de obicei de a compara mișcarea relativă între mai multe vârfuri de transmisie, așa că este necesar să se măsoare complet spectrul său de transmisie. Lățimea de bandă și puterea sursei de lumină cu spectru larg trebuie să fie mai mari.
2. Statutul cercetării în țară și în străinătate
2.1 Sursă de lumină laser cu lățime de linie îngustă
2.1.1 Laser cu feedback distribuit cu semiconductori cu lățime de linie îngustă
În 2006, Cliche și colab. au redus scara MHz a semiconductorilorLaser DFB(laser cu feedback distribuit) la scară kHz folosind metoda feedback-ului electric; În 2011, Kessler și colab. au utilizat o cavitate monocristalină la temperatură scăzută și stabilitate ridicată combinată cu control activ al feedback-ului pentru a obține o ieșire laser cu lățime de linie ultra-îngustă de 40 MHz; În 2013, Peng și colab. au obținut o ieșire laser semiconductor cu o lățime de linie de 15 kHz utilizând metoda de ajustare externă a feedback-ului Fabry-Perot (FP). Metoda de feedback electric a utilizat în principal feedback-ul de stabilizare a frecvenței Pond-Drever-Hall pentru a reduce lățimea de linie laser a sursei de lumină. În 2010, Bernhardi și colab. au produs 1 cm de FBG de alumină dopată cu erbiu pe un substrat de oxid de siliciu pentru a obține o ieșire laser cu o lățime de linie de aproximativ 1,7 kHz. În același an, Liang și colab. a utilizat feedback-ul de auto-injecție al împrăștierii Rayleigh inverse formate de un rezonator de perete ecou cu Q ridicat pentru compresia lățimii liniilor laser semiconductoare, așa cum se arată în Figura 1, și în final a obținut o ieșire laser cu lățime de linie îngustă de 160 Hz.
Fig. 1 (a) Diagrama compresiei lățimii liniilor laserului semiconductor bazată pe împrăștierea Rayleigh prin auto-injecție a rezonatorului extern în modul galerie șoptitor;
(b) Spectrul de frecvență al laserului semiconductor cu funcționare liberă și o lățime de linie de 8 MHz;
(c) Spectrul de frecvență al laserului cu lățimea liniei comprimată la 160 Hz
2.1.2 Laser cu fibră cu lățime de linie îngustă
Pentru laserele cu fibră cu cavitate liniară, ieșirea laser cu lățime de linie îngustă a unui singur mod longitudinal se obține prin scurtarea lungimii rezonatorului și creșterea intervalului modului longitudinal. În 2004, Spiegelberg și colab. au obținut o ieșire laser cu lățime de linie îngustă a unui singur mod longitudinal, cu o lățime de linie de 2 kHz, utilizând metoda DBR cu cavitate scurtă. În 2007, Shen și colab. au utilizat o fibră de siliciu puternic dopată cu erbiu de 2 cm pentru a scrie FBG pe o fibră fotosensibilă co-dopată Bi-Ge și au fuzionat-o cu o fibră activă pentru a forma o cavitate liniară compactă, făcând ca lățimea liniei de ieșire laser să fie mai mică de 1 kHz. În 2010, Yang și colab. au utilizat o cavitate liniară scurtă, puternic dopată, de 2 cm, combinată cu un filtru FBG cu bandă îngustă pentru a obține o ieșire laser cu un singur mod longitudinal, cu o lățime de linie mai mică de 2 kHz. În 2014, echipa a utilizat o cavitate liniară scurtă (rezonator inelar pliat virtual) combinată cu un filtru FBG-FP pentru a obține o ieșire laser cu o lățime a liniei mai îngustă, așa cum se arată în Figura 3. În 2012, Cai și colab. au utilizat o structură de cavitate scurtă de 1,4 cm pentru a obține o ieșire laser polarizantă cu o putere de ieșire mai mare de 114 mW, o lungime de undă centrală de 1540,3 nm și o lățime a liniei de 4,1 kHz. În 2013, Meng și colab. au utilizat împrăștierea Brillouin a fibrei dopate cu erbiu cu o cavitate inelar scurtă a unui dispozitiv cu prezervare a polarizării complete pentru a obține o ieșire laser cu zgomot de fază redus, cu un singur mod longitudinal, cu o putere de ieșire de 10 mW. În 2015, echipa a utilizat o cavitate inelar compusă din fibră dopată cu erbiu de 45 cm ca mediu de amplificare a împrăștierii Brillouin pentru a obține o ieșire laser cu prag scăzut și lățime a liniei îngustă.
Fig. 2 (a) Schemă de reprezentare a laserului cu fibră SLC;
(b) Forma liniei semnalului heterodin măsurată cu o întârziere de fibră de 97,6 km
Data publicării: 20 noiembrie 2023