Tehnologia sursă laser pentruFibra opticăSenzing prima parte
Tehnologia de detectare a fibrelor optice este un fel de tehnologie de detectare dezvoltată împreună cu tehnologia fibrelor optice și tehnologia de comunicare a fibrelor optice și a devenit una dintre cele mai active ramuri ale tehnologiei fotoelectrice. Sistemul de detectare a fibrelor optice este compus în principal din laser, fibre de transmisie, element de detectare sau zonă de modulare, detectarea luminii și alte părți. Parametrii care descriu caracteristicile undei de lumină includ intensitatea, lungimea de undă, faza, starea de polarizare, etc. Acești parametri pot fi schimbați prin influențe externe în transmisia fibrelor optice. De exemplu, când temperatura, tulpina, presiunea, curentul, deplasarea, vibrațiile, rotația, îndoirea și cantitatea chimică afectează calea optică, acești parametri se schimbă corespunzător. Senzația de fibre optice se bazează pe relația dintre acești parametri și factori externi pentru a detecta cantitățile fizice corespunzătoare.
Există multe tipuri deSursa laserutilizat în sistemele de detectare a fibrelor optice, care pot fi împărțite în două categorii: coerenteSurse laserși surse de lumină incoerente, incoerentesurse de luminăIncludeți în principal diode de lumină și emisiune de lumină incandescentă, iar sursele de lumină coerente includ lasere solide, lasere lichide, lasere cu gaz,Laser semiconductorşilaser cu fibre. Următoarele sunt în principal pentruSursa de lumină laserUtilizat pe scară largă în domeniul detectării fibrelor în ultimii ani: Lățimea liniei înguste laser cu o singură frecvență, laser cu frecvență de măturare cu o singură lungime de măturare și laser alb.
1.1 Cerințe pentru lățimea de linie îngustăSurse de lumină laser
Sistemul de detectare a fibrelor optice nu poate fi separat de sursa laser, deoarece unda de lumină a purtătorului de semnal măsurat, sursa de lumină laser în sine performanță, cum ar fi stabilitatea puterii, lățimea de linie laser, zgomotul de fază și alți parametri pe distanța de detectare a sistemului de detectare a fibrelor optice, exactitatea detectării, sensibilitatea și caracteristicile de zgomot joacă un rol decizional. In recent years, with the development of long-distance ultra-high resolution optical fiber sensing systems, academia and industry have put forward more stringent requirements for the linewidth performance of laser miniaturization, mainly in: optical frequency domain reflection (OFDR) technology uses coherent detection technology to analyze the backrayleigh scattered signals of optical fibers in the frequency domain, with a wide coverage (thousands of contoare). Avantajele rezoluției înalte (rezoluție la nivel de milimetru) și sensibilitate ridicată (până la -100 dBM) au devenit una dintre tehnologiile cu perspective largi de aplicare în măsurarea și tehnologia de detectare a fibrelor optice distribuite. Nucleul tehnologiei OFDR este de a utiliza sursa de lumină reglabilă pentru a obține reglarea frecvenței optice, astfel încât performanța sursei laser determină factorii cheie, cum ar fi intervalul de detectare a OFDR, sensibilitatea și rezoluția. Când distanța punctului de reflecție este apropiată de lungimea coerenței, intensitatea semnalului de ritm va fi atenuată exponențial de coeficientul τ/τc. Pentru o sursă de lumină gaussiană cu o formă spectrală, pentru a se asigura că frecvența de ritm are o vizibilitate mai mare de 90%, relația dintre lățimea liniei a sursei de lumină și lungimea maximă de detectare pe care o poate obține sistemul este Lmax ~ 0,04Vg/F, ceea ce înseamnă că pentru o fibră cu o lungime de 80 km, lățimea liniei a sursei de lumină este mai mare de 100 Hz. În plus, dezvoltarea altor aplicații a prezentat, de asemenea, cerințe mai mari pentru lățimea de linie a sursei de lumină. De exemplu, în sistemul de hidrofon de fibre optice, lățimea de linie a sursei de lumină determină zgomotul sistemului și determină, de asemenea, semnalul minim măsurabil al sistemului. În reflectorul de domeniu de timp optic Brillouin (BOTDR), rezoluția de măsurare a temperaturii și stresului este determinată în principal de lățimea de linie a sursei de lumină. Într -un giro optic optic rezonator, lungimea de coerență a undei de lumină poate fi crescută prin reducerea lățimii liniei a sursei de lumină, îmbunătățind astfel finețea și adâncimea de rezonanță a rezonatorului, reducând lățimea liniei rezonatorului și asigurând exactitatea de măsurare a giro -optic gyro.
1.2 Cerințe pentru surse laser de măturare
Laserul de măturare cu o singură lungime de undă are performanțe flexibile de reglare a lungimii de undă, poate înlocui mai multe lasere de lungime de undă fixă de ieșire, poate reduce costul construcției sistemului, este o parte indispensabilă a sistemului de detectare a fibrelor optice. De exemplu, în detectarea fibrelor de gaz, diferite tipuri de gaze au diferite vârfuri de absorbție a gazelor. Pentru a asigura eficiența de absorbție a luminii atunci când gazul de măsurare este suficient și obține o sensibilitate mai mare de măsurare, este necesar să se alinieze lungimea de undă a sursei de lumină de transmisie cu vârful de absorbție a 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 înguste de lățime de linie cu performanțe stabile de reglare a bandelor largi au o flexibilitate mai mare de măsurare în astfel de sisteme de detectare. De exemplu, în unele sisteme distribuite de detectare a fibrelor optice bazate pe reflectarea domeniului de frecvență optică, laserul trebuie să fie rapid măturat periodic pentru a obține detectarea coerentă de înaltă precizie și demodularea semnalelor optice, astfel încât rata de modulare a sursei laser are cerințe relativ mari, iar viteza de măturare a laserului reglabil este de obicei impusă pentru a atinge 10 pm/μs. În plus, laserul de lățime de linie îngustă reglabilă cu lungime de undă poate fi, de asemenea, utilizat pe scară largă în lidar, teledetecție laser și analiza spectrală de înaltă rezoluție și alte câmpuri de detectare. In order to meet the requirements of high performance parameters of tuning bandwidth, tuning accuracy and tuning speed of single-wavelength lasers in the field of fiber sensing, the overall goal of studying tunable narrow-width fiber lasers in recent years is to achieve high-precision tuning in a larger wavelength range on the basis of pursuing ultra-narrow laser linewidth, ultra-low phase noise, and ultra-stable output frecvență și putere.
1.3 Cerere de sursă de lumină laser alb
În domeniul detectării optice, laserul de lumină albă de înaltă calitate are o semnificație deosebită pentru a îmbunătăți performanța sistemului. Cu cât acoperirea spectrului este mai largă a laserului cu lumină albă, cu atât aplicarea sa mai extinsă în sistemul de detectare a fibrelor optice. De exemplu, atunci când se utilizează grătare de fibre Bragg (FBG) pentru a construi o rețea de senzori, o analiză spectrală sau o metodă de potrivire a filtrului reglabil ar putea fi utilizate pentru demodulare. Primul a folosit un spectrometru pentru a testa direct fiecare lungime de undă rezonantă FBG în rețea. Acesta din urmă folosește un filtru de referință pentru a urmări și calibra FBG în detectare, ambele necesitând o sursă de lumină în 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 de peste 0,1 nm, demodularea simultană a multiplelor FBG necesită o sursă de lumină în bandă largă, cu o putere mare și lățime de bandă mare. De exemplu, atunci când se utilizează o grătare de fibre de lungă durată (LPFG) pentru detectare, deoarece lățimea de bandă a unui vârf de pierdere unic 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 exactitate caracteristicile sale de vârf rezonante. În special, grătarea acustică a fibrelor (AIFG) construită prin utilizarea efectului acusto-optic poate obține o gamă de reglare de lungime de undă rezonantă până la 1000 nm cu ajutorul reglării electrice. Prin urmare, testarea dinamică de grătare cu o astfel de gamă de reglare ultra-largă reprezintă o provocare excelentă pentru gama de lățime de bandă a unei surse de lumină cu spectru larg. În mod similar, în ultimii ani, grătarul de fibre Bragg înclinat a fost, de asemenea, utilizat pe scară largă în domeniul detectării fibrelor. Datorită caracteristicilor spectrului său de pierdere multiplă, 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, astfel încât este necesar să se măsoare complet spectrul de transmisie. Lățimea de bandă și puterea sursei de lumină spectru larg trebuie să fie mai mari.
2. Statutul de cercetare la domiciliu și în străinătate
2.1 Sursa de lumină laser cu lățime de linie îngustă
2.1.1 Laser de feedback distribuit cu lățime de linie restrânsă
În 2006, Clișei și colab. a redus scala MHZ a semiconductoruluiDFB Laser(laser de feedback distribuit) la scara KHZ folosind metoda de feedback electric; În 2011, Kessler și colab. a utilizat temperaturi scăzute și stabilitate ridicată cavitate cu un singur cristal, combinată cu un control activ al feedback-ului pentru a obține o ieșire laser cu lățime de linie ultra-nerambi, de 40 MHz; În 2013, Peng și colab. Au obținut o ieșire cu laser cu semiconductor cu o lățime de linie de 15 kHz prin utilizarea metodei de reglare a feedback-ului extern Fabry-Perot (FP). Metoda de feedback electric a utilizat în principal feedback-ul de stabilizare a frecvenței de mare-hall-hall pentru a face ca lățimea de linie laser a sursei de lumină să fie redusă. În 2010, Bernhardi și colab. a produs 1 cm de alumină dopată ERBIUM FBG 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 înapoi format dintr-un rezonator de perete cu ecou ridicat pentru compresia cu lățime a liniei cu laser semiconductor, așa cum se arată în figura 1, și a obținut în cele din urmă o ieșire laser cu lățime de linie îngustă de 160 Hz.
Fig. 1 (a) Diagrama compresiei cu lățime de linie cu laser semiconductor bazată pe împrăștierea Rayleigh de auto-injecție a rezonatorului în mod extern Galerie Whispering;
(b) spectrul de frecvență al laserului cu semiconductor de rulare liberă cu lățime de linie de 8 MHz;
(c) Spectrul de frecvență al laserului cu lățimea de linie comprimată la 160 Hz
2.1.2 Laser cu fibră de lățime de linie îngustă
Pentru laserele cu fibre de cavitate liniară, ieșirea laser cu lățime de linie îngustă a modului longitudinal unic este obținută prin scurtarea lungimii rezonatorului și crescând intervalul de mod longitudinal. În 2004, Spiegelberg și colab. a obținut un singur mod longitudinal cu lățime de linie îngustă cu o lățime de linie de 2 kHz prin utilizarea metodei DBR scurte a cavității. În 2007, Shen și colab. a folosit o fibră de siliciu dopată de 2 cm puternic dopată pentru a scrie FBG pe o fibră fotosensibilă dopată bi-GE și a topit-o cu o fibră activă pentru a forma o cavitate liniară compactă, ceea ce face ca lățimea liniei de ieșire laser să fie mai mică de 1 kHz. În 2010, Yang și colab. a utilizat o cavitate liniară scurtă de 2cm foarte dopată, 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 folosit o cavitate liniară scurtă (rezonator cu inel pliat virtual) combinat cu un filtru FBG-FP pentru a obține o ieșire laser cu o lățime mai restrânsă a liniei, așa cum se arată în figura 3. În 2012, Cai și colab. a utilizat o structură de cavitate scurtă de 1,4 cm pentru a obține o ieșire polarizantă laser cu o putere de ieșire mai mare de 114 MW, o lungime de undă centrală de 1540,3 nm și o lățime de linie de 4,1 kHz. În 2013, Meng și colab. A folosit împrăștierea strălucirii fibrei dopate cu erbium, cu o cavitate cu inel scurt al unui dispozitiv de conservare a prejudecăților complete pentru a obține un mod unic lung, o ieșire cu laser de zgomot în fază joasă, cu o putere de ieșire de 10 MW. În 2015, echipa a folosit o cavitate inelară compusă din fibre dopate de 45 cm Erbium, ca mediu de câștig de împrăștiere Brillouin pentru a obține un prag scăzut și o ieșire cu lățime de linie îngustă.
Fig. 2 (a) Desen schematic al laserului cu fibre SLC;
(b)
Timpul post: 20-2023 nov