Teknologi sumber laser untukserat optikmengesan bahagian satu
Teknologi penderiaan serat optik adalah sejenis teknologi penderiaan yang dibangunkan bersama -sama dengan teknologi serat optik dan teknologi komunikasi serat optik, dan ia telah menjadi salah satu cabang yang paling aktif dalam teknologi fotoelektrik. Sistem penderiaan serat optik terutamanya terdiri daripada laser, serat penghantaran, unsur penginderaan atau kawasan modulasi, pengesanan cahaya dan bahagian lain. Parameter yang menggambarkan ciri -ciri gelombang cahaya termasuk intensiti, panjang gelombang, fasa, keadaan polarisasi, dan lain -lain. Parameter ini boleh diubah oleh pengaruh luaran dalam penghantaran serat optik. Sebagai contoh, apabila suhu, ketegangan, tekanan, arus, anjakan, getaran, putaran, lenturan dan kuantiti kimia mempengaruhi laluan optik, parameter ini berubah bersamaan. Penginderaan serat optik adalah berdasarkan hubungan antara parameter ini dan faktor luaran untuk mengesan kuantiti fizikal yang sepadan.
Terdapat banyak jenisSumber laserdigunakan dalam sistem penderiaan serat optik, yang boleh dibahagikan kepada dua kategori: koherenSumber laserdan sumber cahaya yang tidak sepatutnya, tidak masuk akalsumber cahayaTerutamanya termasuk cahaya pijar dan diod pemancar cahaya, dan sumber cahaya yang koheren termasuk laser pepejal, laser cecair, laser gas,Laser semikonduktordanlaser serat. Berikut adalah terutamanya untuksumber cahaya laserDigunakan secara meluas dalam bidang penderiaan serat pada tahun-tahun kebelakangan ini: Laser frekuensi tunggal sempit, laser frekuensi sweep tunggal dan laser putih.
1.1 Keperluan untuk Linewidth sempitSumber cahaya laser
Sistem penderiaan serat optik tidak dapat dipisahkan dari sumber laser, kerana gelombang cahaya pembawa isyarat yang diukur, sumber cahaya laser itu sendiri, seperti kestabilan kuasa, laser linewidth, bunyi fasa dan parameter lain pada jarak pengesanan sistem penginderaan serat optik, ketepatan pengesanan, kepekaan dan ciri -ciri bunyi memainkan peranan yang menentukan. Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, dengan pembangunan sistem penderiaan serat optik ultra-tinggi, akademik dan industri telah mengemukakan keperluan yang lebih ketat untuk prestasi laser laser, terutamanya dalam: kekerapan optik. Kelebihan resolusi tinggi (resolusi peringkat milimeter) dan kepekaan yang tinggi (sehingga -100 dBm) telah menjadi salah satu teknologi dengan prospek aplikasi yang luas dalam pengukuran serat optik dan teknologi penderiaan optik. Inti teknologi OFDR adalah menggunakan sumber cahaya yang boleh ditukar untuk mencapai penalaan frekuensi optik, jadi prestasi sumber laser menentukan faktor utama seperti julat pengesanan OFDR, kepekaan dan resolusi. Apabila jarak titik refleksi adalah dekat dengan panjang koheren, intensiti isyarat pukulan akan secara eksponen dilemahkan oleh pekali τ/τc. Bagi sumber cahaya Gaussian dengan bentuk spektrum, untuk memastikan kekerapan pukulan mempunyai lebih daripada 90% penglihatan, hubungan antara lebar garis sumber cahaya dan panjang penderiaan maksimum yang dapat dicapai oleh sistem adalah LMAX ~ 0.04VG/F, yang bermaksud untuk serat dengan panjang 80 km, lebar garis cahaya kurang daripada 100 hz. Di samping itu, pembangunan aplikasi lain juga mengemukakan keperluan yang lebih tinggi untuk linewidth sumber cahaya. Sebagai contoh, dalam sistem hidrofon serat optik, linewidth sumber cahaya menentukan bunyi sistem dan juga menentukan isyarat minimum sistem yang boleh diukur. Dalam reflektor domain masa optik Brillouin (BOTDR), resolusi pengukuran suhu dan tekanan terutamanya ditentukan oleh linewidth sumber cahaya. Dalam gyro serat optik resonator, panjang koheren gelombang cahaya dapat ditingkatkan dengan mengurangkan lebar garis sumber cahaya, dengan itu meningkatkan kedalaman dan resonans resonator, mengurangkan lebar garis resonator, dan memastikan ketepatan pengukuran gyro gentian optik.
1.2 Keperluan untuk Sumber Laser Menyapu
Laser sapu panjang gelombang tunggal mempunyai prestasi penalaan panjang gelombang yang fleksibel, boleh menggantikan pelbagai laser panjang gelombang tetap output, mengurangkan kos pembinaan sistem, adalah sebahagian daripada sistem penderiaan serat optik. Sebagai contoh, dalam mengesan penderiaan serat gas, pelbagai jenis gas mempunyai puncak penyerapan gas yang berbeza. Untuk memastikan kecekapan penyerapan cahaya apabila gas pengukuran mencukupi dan mencapai kepekaan pengukuran yang lebih tinggi, adalah perlu untuk menyelaraskan panjang gelombang sumber cahaya penghantaran dengan puncak penyerapan molekul gas. Jenis gas yang dapat dikesan pada dasarnya ditentukan oleh panjang gelombang sumber cahaya penderiaan. Oleh itu, laser linewidth sempit dengan prestasi penalaan jalur lebar yang stabil mempunyai fleksibiliti pengukuran yang lebih tinggi dalam sistem penderiaan tersebut. Sebagai contoh, dalam beberapa sistem penderiaan serat optik yang diedarkan berdasarkan refleksi domain frekuensi optik, laser perlu dengan cepat disapu secara berkala untuk mencapai pengesanan koheren yang tinggi dan demodulasi isyarat optik, jadi kadar modulasi sumber laser mempunyai keperluan yang agak tinggi, dan kelajuan laser yang disesuaikan. Di samping itu, laser linewidth sempit gelombang juga boleh digunakan secara meluas dalam lidar, penderiaan jauh laser dan analisis spektrum resolusi tinggi dan bidang penderiaan yang lain. Untuk memenuhi keperluan parameter prestasi tinggi penalaan lebar jalur, ketepatan penalaan dan kelajuan penalaan laser panjang gelombang tunggal dalam bidang penderiaan serat, matlamat keseluruhan untuk mengkaji laser serat sempit yang boleh ditapis pada tahun-tahun yang lebih tinggi, kekerapan dan kuasa output ultra-stabil.
1.3 Permintaan untuk sumber cahaya laser putih
Dalam bidang penderiaan optik, laser cahaya putih berkualiti tinggi adalah sangat penting untuk meningkatkan prestasi sistem. Lebih luas liputan spektrum laser cahaya putih, semakin luas aplikasinya dalam sistem penderiaan serat optik. Sebagai contoh, apabila menggunakan serat Bragg Grating (FBG) untuk membina rangkaian sensor, analisis spektrum atau kaedah pencocokan penapis yang boleh ditapis boleh digunakan untuk demodulasi. Yang pertama menggunakan spektrometer untuk menguji secara langsung setiap panjang gelombang resonan FBG dalam rangkaian. Yang terakhir menggunakan penapis rujukan untuk mengesan dan menentukur FBG dalam penderiaan, yang kedua -duanya memerlukan sumber cahaya jalur lebar sebagai sumber cahaya ujian untuk FBG. Kerana setiap rangkaian akses FBG akan mengalami kehilangan sisipan tertentu, dan mempunyai jalur lebar lebih daripada 0.1 nm, demodulasi serentak pelbagai FBG memerlukan sumber cahaya jalur lebar dengan kuasa tinggi dan jalur lebar yang tinggi. Sebagai contoh, apabila menggunakan gentian serat jangka panjang (LPFG) untuk penderiaan, kerana jalur lebar puncak kehilangan tunggal adalah dalam urutan 10 nm, sumber cahaya spektrum yang luas dengan jalur lebar yang mencukupi dan spektrum yang agak rata diperlukan untuk mencirikan ciri -ciri puncak resonannya dengan tepat. Khususnya, grating serat akustik (AIFG) yang dibina dengan menggunakan kesan acousto-optik boleh mencapai pelbagai penalaan panjang gelombang resonan sehingga 1000 nm dengan cara penalaan elektrik. Oleh itu, ujian grating dinamik dengan pelbagai penalaan ultra-seluruh menimbulkan cabaran besar kepada jalur lebar jalur lebar sumber cahaya yang luas. Begitu juga, dalam tahun -tahun kebelakangan ini, grating serat Bragg yang condong juga telah digunakan secara meluas dalam bidang penderiaan serat. Oleh kerana ciri-ciri spektrum kerugian multi-puncaknya, julat pengedaran panjang gelombang biasanya boleh mencapai 40 nm. Mekanisme penginderaannya biasanya untuk membandingkan pergerakan relatif di kalangan puncak penghantaran berganda, jadi perlu untuk mengukur spektrum penghantarannya sepenuhnya. Jalur lebar dan kuasa sumber cahaya spektrum yang luas diperlukan untuk menjadi lebih tinggi.
2. Status penyelidikan di rumah dan di luar negara
2.1 Sumber cahaya laser linewidth sempit
2.1.1 Linewidth sempit Semikonduktor diedarkan Laser Maklum Balas
Pada tahun 2006, Cliche et al. Mengurangkan skala semikonduktor MHzDFB Laser(Laser maklum balas yang diedarkan) ke skala KHZ menggunakan kaedah maklum balas elektrik; Pada tahun 2011, Kessler et al. Digunakan suhu rendah dan kestabilan yang tinggi rongga kristal tunggal yang digabungkan dengan kawalan maklum balas aktif untuk mendapatkan output laser linewidth ultra-narrow sebanyak 40 MHz; Pada tahun 2013, Peng et al memperoleh output laser semikonduktor dengan linewidth 15 kHz dengan menggunakan kaedah pelarasan maklum balas Fabry-Perot (FP) luaran. Kaedah maklum balas elektrik terutamanya menggunakan maklum balas penstabilan frekuensi kolam-thever-hall untuk menjadikan linewidth laser sumber cahaya dikurangkan. Pada tahun 2010, Bernhardi et al. Dihasilkan 1 cm alumina erbium-doped FBG pada substrat silikon oksida untuk mendapatkan output laser dengan lebar garis kira-kira 1.7 kHz. Pada tahun yang sama, Liang et al. Menggunakan maklum balas suntikan diri dari penyebaran Rayleigh ke belakang yang dibentuk oleh resonator dinding echo yang tinggi untuk pemampatan laser laser semikonduktor, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1, dan akhirnya memperoleh output laser lebar sempit 160 Hz.
Rajah 1 (a) Diagram pemampatan laser laser semikonduktor berdasarkan suntikan diri Rayleigh penyebaran resonator mod Galeri Whispering Luaran;
(b) Spektrum kekerapan laser semikonduktor yang berjalan bebas dengan linewidth 8 MHz;
(c) Spektrum frekuensi laser dengan linewidth dimampatkan hingga 160 Hz
2.1.2 Laser Fiber Linewidth sempit
Untuk laser serat rongga linear, output laser linewidth sempit mod longitudinal tunggal diperoleh dengan memendekkan panjang resonator dan meningkatkan selang mod longitudinal. Pada tahun 2004, Spiegelberg et al. Mendapatkan satu mod longitudinal laser laser sempit dengan linewidth 2 kHz dengan menggunakan kaedah rongga pendek DBR. Pada tahun 2007, Shen et al. Digunakan serat silikon erbium-doped 2 cm untuk menulis FBG pada serat fotosensitif bersama bi-GE, dan menyatu dengan serat aktif untuk membentuk rongga linear padat, menjadikan lebar garis output lasernya kurang daripada 1 kHz. Pada tahun 2010, Yang et al. Digunakan rongga linear pendek 2cm yang sangat doped yang digabungkan dengan penapis FBG sempit untuk mendapatkan output laser mod longitudinal tunggal dengan lebar garis kurang daripada 2 kHz. Pada tahun 2014, pasukan menggunakan rongga linear pendek (resonator cincin dilipat maya) yang digabungkan dengan penapis FBG-FP untuk mendapatkan output laser dengan lebar garis sempit, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3. Pada tahun 2012, Cai et al. menggunakan struktur rongga pendek 1.4cm untuk mendapatkan output laser polarisasi dengan kuasa output lebih besar daripada 114 mW, panjang gelombang pusat 1540.3 nm, dan lebar garis 4.1 kHz. Pada tahun 2013, Meng et al. Penghapusan serat erbium-doped yang digunakan dengan rongga cincin pendek peranti pemeliharaan penuh bias untuk mendapatkan mod satu-longitudinal, output laser bunyi fasa rendah dengan kuasa output 10 mW. Pada tahun 2015, pasukan itu menggunakan rongga cincin yang terdiri daripada serat 45 cm erbium-doped sebagai medium penyebaran Brillouin untuk mendapatkan output laser linewidth yang rendah dan sempit.
Rajah 2 (a) lukisan skematik laser serat SLC;
(b) Lineshape isyarat heterodyne diukur dengan kelewatan serat 97.6 km
Masa Post: Nov-20-2023