Tehnologia sursei laser pentrufibra opticasimțind prima parte
Tehnologia de detectare a fibrei optice este un fel de tehnologie de detectare dezvoltată împreună cu tehnologia cu fibre optice și tehnologia de comunicație cu fibre optice și a devenit una dintre cele mai active ramuri ale tehnologiei fotoelectrice.Sistemul de detectare cu fibră optică este compus în principal din laser, fibră de transmisie, element de detectare sau zonă de modulare, detectarea luminii și alte părți.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 fibrei optice.De exemplu, atunci când temperatura, deformarea, presiunea, curentul, deplasarea, vibrația, rotația, îndoirea și cantitatea chimică afectează calea optică, acești parametri se modifică în mod corespunzător.Detecția prin fibră optică 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 fibrei optice, care pot fi împărțite în două categorii: coerentesurse laseriar sursele 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 semiconductorșilaser cu fibră.Următoarele sunt în principal pentrusursă de lumină laserutilizat pe scară largă în domeniul detectării fibrelor în ultimii ani: laser cu o singură frecvență cu lățime de linie îngustă, laser cu frecvență de baleiaj cu o singură lungime de undă și laser alb.
1.1 Cerințe pentru lățime de linie îngustăsurse de lumină laser
Sistemul de detectare a fibrei optice nu poate fi separat de sursa laser, deoarece unda de lumină purtătoare de semnal măsurată, performanța sursei de lumină laser în sine, cum ar fi stabilitatea puterii, lățimea liniei laser, zgomotul de fază și alți parametri ai sistemului de detectare a fibrei optice, distanța de detectare, detecția precizia, sensibilitatea și caracteristicile de zgomot joacă un rol decisiv.În ultimii ani, odată cu dezvoltarea sistemelor de detectare a fibrelor optice de ultra-înaltă rezoluție pe distanțe lungi, mediul academic și industria au propus cerințe mai stricte pentru performanța lățimii de linie a miniaturizării laser, în principal în: tehnologia de reflectare a domeniului de frecvență optică (OFDR) folosește coerente tehnologie de detectare pentru analizarea semnalelor împrăștiate backrayleigh ale fibrelor optice în domeniul frecvenței, cu o acoperire largă (mii de metri).Avantajele rezoluției înalte (rezoluție la nivel milimetric) și sensibilității ridicate (până la -100 dBm) au devenit una dintre tehnologiile cu perspective largi de aplicare în tehnologia de măsurare și detecție a fibrei optice distribuite.Miezul tehnologiei OFDR este utilizarea sursei de lumină reglabilă pentru a realiza reglarea frecvenței optice, astfel încât performanța sursei laser determină factorii cheie, cum ar fi intervalul de detectare OFDR, sensibilitatea și rezoluția.Când distanța punctului de reflexie este aproape de lungimea coerenței, intensitatea semnalului de bătaie 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 bătaie are o vizibilitate mai mare de 90%, 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 lungimea de 80 km, lățimea liniei sursei de lumină este mai mică de 100 Hz.În plus, dezvoltarea altor aplicații a impus și cerințe mai mari pentru lățimea de linie a sursei de lumină.De exemplu, în sistemul de hidrofon cu fibră optică, lățimea de linie a sursei de lumină determină zgomotul sistemului și, de asemenea, determină semnalul minim măsurabil al sistemului.În reflectorul optic în domeniul timpului Brillouin (BOTDR), rezoluția de măsurare a temperaturii și stresului este determinată în principal de lățimea liniei sursei de lumină.Într-un giroscop cu fibră optică rezonatoare, lungimea de coerență a undei luminoase poate fi mărită prin reducerea lățimii liniei sursei de lumină, îmbunătățind astfel finețea și adâncimea rezonanței rezonatorului, reducând lățimea liniei rezonatorului și asigurând măsurarea acuratețea giroscopului cu fibră optică.
1.2 Cerințe pentru sursele laser de baleiaj
Laserul cu o singură lungime de undă are performanță flexibilă de reglare a lungimii de undă, poate înlocui laserele cu lungime de undă fixă cu ieșire multiple, reduce costul construcției sistemului, este o parte indispensabilă a sistemului de detectare a fibrei optice.De exemplu, în detectarea fibrelor de gaz în urmă, diferitele tipuri de gaze au vârfuri diferite de absorbție a gazului.Pentru a asigura eficiența absorbției luminii atunci când gazul de măsurat este suficient și pentru a 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 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 cu performanță stabilă de reglare în bandă largă au o flexibilitate mai mare de măsurare în astfel de sisteme de detectare.De exemplu, în unele sisteme de detecție cu fibre optice distribuite bazate pe reflecția domeniului de frecvență optică, laserul trebuie să fie măturat rapid și periodic pentru a obține o detecție coerentă de înaltă precizie și o demodulare a semnalelor optice, astfel încât rata de modulare a sursei laser are cerințe relativ ridicate. , iar viteza de măturare a laserului reglabil este de obicei necesară pentru a ajunge la 10 pm/μs.În plus, laserul cu lățime de linie îngustă reglabil cu lungime de undă poate fi, de asemenea, utilizat pe scară largă în liDAR, teledetecție cu laser și analiză spectrală de înaltă rezoluție și alte câmpuri de detectare.Pentru a îndeplini cerințele parametrilor de înaltă performanță ai lățimii de bandă de reglare, preciziei de reglare și vitezei de reglare a laserelor cu o singură lungime de undă în domeniul detectării fibrelor, scopul general al studierii laserelor cu fibră reglabile cu lățime îngustă în ultimii ani este de a atinge reglaj de precizie într-un interval mai mare de lungimi de undă pe baza urmăririi lățimii de linie laser ultra-înguste, zgomotului de fază ultra-scăzut și frecvența și puterea de ieșire ultra-stabile.
1.3 Cererea pentru sursa de lumină laser albă
În domeniul detectării optice, laserul cu lumină albă de înaltă calitate este de mare importanță pentru a îmbunătăți performanța sistemului.Cu cât acoperirea spectrului laserului cu lumină albă este mai largă, cu atât este mai extinsă aplicarea acestuia în sistemul de detectare a fibrei optice.De exemplu, atunci când se utilizează rețeaua Bragg de fibre (FBG) pentru a construi o rețea de senzori, pentru demodulare ar putea fi utilizată analiza spectrală sau metoda de potrivire a filtrului reglabil.Primul a folosit un spectrometru pentru a testa direct fiecare lungime de undă rezonantă FBG din rețea.Acesta din urmă folosește un filtru de referință pentru a urmări și calibra FBG în detecție, ambele necesită 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 rețeaua de fibre de lungă durată (LPFG) pentru detecție, 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 lățime de bandă suficientă și spectru relativ plat pentru a caracteriza cu precizie rezonanța sa. caracteristicile de vârf.În special, rețeaua de fibre acustice (AIFG) construită prin utilizarea efectului acusto-optic poate atinge o gamă de acordare a lungimii de undă rezonante de până la 1000 nm prin intermediul reglajului electric.Prin urmare, testarea dinamică a rețelelor cu o astfel de gamă de reglare ultra-largă reprezintă o mare provocare 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 sale de spectru de pierdere cu mai multe vârfuri, 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, deci 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. Stadiul 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 lățime de linie îngustă cu semiconductor
În 2006, Cliche et al.a redus scara MHz a semiconductoruluiLaser DFB(laser cu feedback distribuit) la scară kHz folosind metoda de feedback electric;În 2011, Kessler et al.a folosit o cavitate monocristal de temperatură scăzută și stabilitate ridicată combinată cu control activ de feedback 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 cu 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 folosit în principal feedback-ul de stabilizare a frecvenței Pond-Drever-Hall pentru a reduce lățimea liniei laser a sursei de lumină.În 2010, Bernhardi et al.a 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 folosit feedback-ul de auto-injecție al împrăștierii Rayleigh înapoi format de un rezonator de perete cu ecou de înaltă Q pentru compresia lățimii liniei cu laser semiconductor, așa cum se arată în Figura 1 și, în cele din urmă, a obținut o ieșire laser cu lățime de linie îngustă de 160 Hz.
Fig. 1 (a) Diagrama compresiei lățimii de linie cu laser semiconductor bazată pe împrăștierea Rayleigh cu auto-injectare a rezonatorului mod galerie șoaptă extern;
(b) Spectrul de frecvență al laserului semiconductor care rulează liber cu o lățime de linie de 8 MHz;
(c) Spectrul de frecvență al laserului cu lățime de linie comprimată la 160 Hz
2.1.2 Laser cu fibră cu lățime de linie îngustă
Pentru laserele cu fibre cu cavitate liniară, ieșirea laser cu lățime de linie îngustă a modului longitudinal unic este obținută prin scurtarea lungimii rezonatorului și creșterea intervalului modului longitudinal.În 2004, Spiegelberg et al.a obținut un singur mod longitudinal de ieșire cu lățime de linie îngustă cu o lățime de linie de 2 kHz utilizând metoda DBR cu cavitate scurtă.În 2007, Shen et al.a folosit o fibră de siliciu puternic dopată cu erbiu de 2 cm pentru a scrie FBG pe o fibră fotosensibilă co-dopată Bi-Ge și a fuzionat cu o fibră activă pentru a forma o cavitate liniară compactă, făcând lățimea liniei de ieșire laser mai mică de 1 kHz.În 2010, Yang și colab.a folosit o cavitate liniară scurtă puternic dopată de 2 cm combinată cu un filtru FBG de bandă îngustă pentru a obține o ieșire laser în mod longitudinal unic cu o lățime de linie mai mică de 2 kHz.În 2014, echipa a folosit o cavitate liniară scurtă (rezonator inel virtual pliat) combinată cu un filtru FBG-FP pentru a obține o ieșire laser cu o lățime de linie mai îngustă, așa cum se arată în Figura 3. În 2012, Cai și colab.a folosit o structură cu cavitate scurtă de 1,4 cm pentru a obține o ieșire laser polarizant 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 Brillouin a fibrei dopate cu erbiu cu o cavitate inelă scurtă a unui dispozitiv de conservare a polarizării complete pentru a obține o ieșire laser cu zgomot de fază joasă, mod longitudinal, cu o putere de ieșire de 10 mW.În 2015, echipa a folosit o cavitate inelă compusă din fibră dopată cu erbiu de 45 cm, ca mediu de câștig de împrăștiere Brillouin pentru a obține un prag scăzut și o lățime de linie îngustă a laserului.
Fig. 2 (a) Desen schematic al laserului cu fibră SLC;
(b) Forma de linie a semnalului heterodin măsurată cu o întârziere a fibrei de 97,6 km
Ora postării: 20-nov-2023