Teknologi sumber laser untukgentian optikmengesan Bahagian Satu
Teknologi pengesanan gentian optik merupakan sejenis teknologi pengesanan yang dibangunkan bersama teknologi gentian optik dan teknologi komunikasi gentian optik, dan ia telah menjadi salah satu cabang teknologi fotoelektrik yang paling aktif. Sistem pengesanan gentian optik terutamanya terdiri daripada laser, gentian penghantaran, elemen pengesanan atau kawasan modulasi, pengesanan cahaya dan bahagian lain. Parameter yang menggambarkan ciri-ciri gelombang cahaya termasuk keamatan, panjang gelombang, fasa, keadaan polarisasi, dan sebagainya. Parameter ini boleh diubah oleh pengaruh luaran dalam penghantaran gentian optik. Contohnya, apabila suhu, terikan, tekanan, arus, anjakan, getaran, putaran, lenturan dan kuantiti kimia mempengaruhi laluan optik, parameter ini berubah dengan sewajarnya. Pengesanan gentian optik adalah berdasarkan hubungan antara parameter ini dan faktor luaran untuk mengesan kuantiti fizikal yang sepadan.
Terdapat banyak jenissumber laserdigunakan dalam sistem penderiaan gentian optik, yang boleh dibahagikan kepada dua kategori: koherensumber laserdan sumber cahaya yang tidak koheren, tidak koherensumber cahayaterutamanya merangkumi cahaya pijar dan diod pemancar cahaya, dan sumber cahaya koheren termasuk laser pepejal, laser cecair, laser gas,laser semikonduktordanlaser gentianBerikut adalah terutamanya untuksumber cahaya laserdigunakan secara meluas dalam bidang pengesanan gentian dalam beberapa tahun kebelakangan ini: laser frekuensi tunggal lebar garis sempit, laser frekuensi sapuan panjang gelombang tunggal dan laser putih.
1.1 Keperluan untuk lebar garis yang sempitsumber cahaya laser
Sistem pengesan gentian optik tidak dapat dipisahkan daripada sumber laser, kerana gelombang cahaya pembawa isyarat yang diukur, prestasi sumber cahaya laser itu sendiri, seperti kestabilan kuasa, lebar garis laser, hingar fasa dan parameter lain pada jarak pengesanan sistem pengesan gentian optik, ketepatan pengesanan, kepekaan dan ciri hingar memainkan peranan penting. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, dengan perkembangan sistem pengesan gentian optik resolusi ultra tinggi jarak jauh, akademik dan industri telah mengemukakan keperluan yang lebih ketat untuk prestasi lebar garis pengecilan laser, terutamanya dalam: teknologi pantulan domain frekuensi optik (OFDR) menggunakan teknologi pengesanan koheren untuk menganalisis isyarat berselerak sinar belakang gentian optik dalam domain frekuensi, dengan liputan yang luas (ribuan meter). Kelebihan resolusi tinggi (resolusi peringkat milimeter) dan kepekaan tinggi (sehingga -100 dBm) telah menjadi salah satu teknologi dengan prospek aplikasi yang luas dalam teknologi pengukuran dan pengesan gentian optik teragih. Teras teknologi OFDR adalah untuk menggunakan sumber cahaya boleh tala untuk mencapai penalaan frekuensi optik, jadi prestasi sumber laser menentukan faktor utama seperti julat pengesanan OFDR, kepekaan dan resolusi. Apabila jarak titik pantulan hampir dengan panjang koheren, keamatan isyarat rentak akan dilemahkan secara eksponen oleh pekali τ/τc. Bagi sumber cahaya Gaussian dengan bentuk spektrum, untuk memastikan frekuensi rentak mempunyai keterlihatan lebih daripada 90%, hubungan antara lebar garis sumber cahaya dan panjang penderiaan maksimum yang boleh dicapai oleh sistem ialah Lmax~0.04vg/f, yang bermaksud bahawa bagi gentian dengan panjang 80 km, lebar garis sumber cahaya adalah kurang daripada 100 Hz. Di samping itu, pembangunan aplikasi lain juga mengemukakan keperluan yang lebih tinggi untuk lebar garis sumber cahaya. Contohnya, dalam sistem hidrofon gentian optik, lebar garis sumber cahaya menentukan hingar sistem dan juga menentukan isyarat minimum sistem yang boleh diukur. Dalam pemantul domain masa optik Brillouin (BOTDR), resolusi pengukuran suhu dan tegasan terutamanya ditentukan oleh lebar garis sumber cahaya. Dalam giroskop gentian optik resonator, panjang koheren gelombang cahaya boleh ditingkatkan dengan mengurangkan lebar garisan sumber cahaya, sekali gus meningkatkan kehalusan dan kedalaman resonans resonator, mengurangkan lebar garisan resonator, dan memastikan ketepatan pengukuran giroskop gentian optik.
1.2 Keperluan untuk sumber laser sapuan
Laser sapuan panjang gelombang tunggal mempunyai prestasi penalaan panjang gelombang yang fleksibel, boleh menggantikan laser panjang gelombang tetap berbilang output, mengurangkan kos pembinaan sistem, dan merupakan bahagian yang sangat penting dalam sistem penderiaan gentian optik. Contohnya, dalam penderiaan gentian gas surih, 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 boleh dikesan pada asasnya ditentukan oleh panjang gelombang sumber cahaya penderiaan. Oleh itu, laser lebar garis sempit dengan prestasi penalaan jalur lebar yang stabil mempunyai fleksibiliti pengukuran yang lebih tinggi dalam sistem penderiaan sedemikian. Contohnya, dalam beberapa sistem penderiaan gentian optik teragih berdasarkan pantulan domain frekuensi optik, laser perlu disapu secara berkala dengan cepat untuk mencapai pengesanan koheren ketepatan tinggi dan penyahmodulasi isyarat optik, jadi kadar modulasi sumber laser mempunyai keperluan yang agak tinggi, dan kelajuan sapuan laser boleh laras biasanya diperlukan untuk mencapai 10 pm/μs. Di samping itu, laser lebar garis sempit boleh tala panjang gelombang juga boleh digunakan secara meluas dalam liDAR, penderiaan jauh laser dan analisis spektrum resolusi tinggi serta bidang penderiaan lain. Untuk memenuhi keperluan parameter prestasi tinggi lebar jalur penalaan, ketepatan penalaan dan kelajuan penalaan laser panjang gelombang tunggal dalam bidang penderiaan gentian, matlamat keseluruhan mengkaji laser gentian lebar sempit boleh tala dalam beberapa tahun kebelakangan ini adalah untuk mencapai penalaan ketepatan tinggi dalam julat panjang gelombang yang lebih besar berdasarkan mengejar lebar garis laser ultra sempit, hingar fasa ultra rendah, dan frekuensi dan kuasa output ultra stabil.
1.3 Permintaan untuk sumber cahaya laser putih
Dalam bidang penderiaan optik, laser cahaya putih berkualiti tinggi sangat penting untuk meningkatkan prestasi sistem. Semakin luas liputan spektrum laser cahaya putih, semakin luas aplikasinya dalam sistem penderiaan gentian optik. Contohnya, apabila menggunakan kekisi gentian Bragg (FBG) untuk membina rangkaian sensor, analisis spektrum atau kaedah pemadanan penapis boleh tala boleh digunakan untuk penyahmodulasi. Yang pertama menggunakan spektrometer untuk menguji secara langsung setiap panjang gelombang resonan FBG dalam rangkaian. Yang kedua menggunakan penapis rujukan untuk menjejaki dan menentukur FBG dalam penderiaan, kedua-duanya memerlukan sumber cahaya jalur lebar sebagai sumber cahaya ujian untuk FBG. Oleh kerana setiap rangkaian akses FBG akan mempunyai kehilangan sisipan tertentu, dan mempunyai lebar jalur lebih daripada 0.1 nm, penyahmodulasi serentak berbilang FBG memerlukan sumber cahaya jalur lebar dengan kuasa tinggi dan lebar jalur yang tinggi. Contohnya, apabila menggunakan parutan gentian tempoh panjang (LPFG) untuk pengesanan, memandangkan lebar jalur puncak kehilangan tunggal adalah dalam lingkungan 10 nm, sumber cahaya spektrum luas dengan lebar jalur yang mencukupi dan spektrum yang agak rata diperlukan untuk mencirikan ciri puncak resonannya dengan tepat. Khususnya, parutan gentian akustik (AIFG) yang dibina dengan menggunakan kesan akusto-optik boleh mencapai julat penalaan panjang gelombang resonan sehingga 1000 nm melalui penalaan elektrik. Oleh itu, ujian parutan dinamik dengan julat penalaan ultra lebar sedemikian menimbulkan cabaran besar kepada julat lebar jalur sumber cahaya spektrum luas. Begitu juga, dalam beberapa tahun kebelakangan ini, parutan gentian Bragg condong juga telah digunakan secara meluas dalam bidang pengesanan gentian. Disebabkan oleh ciri spektrum kehilangan berbilang puncaknya, julat taburan panjang gelombang biasanya boleh mencapai 40 nm. Mekanisme pengesanannya biasanya untuk membandingkan pergerakan relatif antara pelbagai puncak penghantaran, jadi perlu mengukur spektrum penghantarannya sepenuhnya. Lebar jalur dan kuasa sumber cahaya spektrum luas dikehendaki lebih tinggi.
2. Status penyelidikan di dalam dan luar negara
2.1 Sumber cahaya laser lebar garis sempit
2.1.1 Laser maklum balas teragih semikonduktor lebar garis sempit
Pada tahun 2006, Cliche et al. mengurangkan skala MHz semikonduktorLaser DFB(laser maklum balas teragih) kepada skala kHz menggunakan kaedah maklum balas elektrik; Pada tahun 2011, Kessler et al. menggunakan rongga kristal tunggal suhu rendah dan kestabilan tinggi yang digabungkan dengan kawalan maklum balas aktif untuk mendapatkan output laser lebar garis ultra sempit sebanyak 40 MHz; Pada tahun 2013, Peng et al memperoleh output laser semikonduktor dengan lebar garis 15 kHz dengan menggunakan kaedah pelarasan maklum balas Fabry-Perot (FP) luaran. Kaedah maklum balas elektrik terutamanya menggunakan maklum balas penstabilan frekuensi Pond-Drever-Hall untuk mengurangkan lebar garis laser sumber cahaya. Pada tahun 2010, Bernhardi et al. menghasilkan 1 cm2 alumina FBG yang didop erbium 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 kendiri bagi penyebaran Rayleigh ke belakang yang dibentuk oleh resonator dinding gema Q tinggi untuk pemampatan lebar garis laser semikonduktor, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1, dan akhirnya memperoleh output laser lebar garis sempit sebanyak 160 Hz.
Rajah 1 (a) Gambar rajah pemampatan lebar garis laser semikonduktor berdasarkan penyerakan Rayleigh suntikan kendiri bagi resonator mod galeri bisikan luaran;
(b) Spektrum frekuensi laser semikonduktor yang berjalan bebas dengan lebar garis 8 MHz;
(c) Spektrum frekuensi laser dengan lebar garisan yang dimampatkan kepada 160 Hz
2.1.2 Laser gentian lebar garis sempit
Bagi laser gentian rongga linear, output laser lebar garis sempit bagi mod membujur tunggal diperoleh dengan memendekkan panjang resonator dan meningkatkan selang mod membujur. Pada tahun 2004, Spiegelberg et al. memperoleh output laser lebar garis sempit mod membujur tunggal dengan lebar garis 2 kHz dengan menggunakan kaedah rongga pendek DBR. Pada tahun 2007, Shen et al. menggunakan gentian silikon 2 cm yang didop erbium berat untuk menulis FBG pada gentian fotosensitif yang didop bersama Bi-Ge, dan menggabungkannya dengan gentian aktif untuk membentuk rongga linear yang padat, menjadikan lebar garis output lasernya kurang daripada 1 kHz. Pada tahun 2010, Yang et al. menggunakan rongga linear pendek 2 cm yang didop tinggi yang digabungkan dengan penapis FBG jalur sempit untuk mendapatkan output laser mod membujur tunggal dengan lebar garis kurang daripada 2 kHz. Pada tahun 2014, pasukan tersebut menggunakan rongga linear pendek (resonator cincin lipat maya) yang digabungkan dengan penapis FBG-FP untuk mendapatkan output laser dengan lebar garis yang lebih 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. menggunakan penyebaran Brillouin gentian terdop erbium dengan rongga cincin pendek peranti pemeliharaan bias penuh untuk mendapatkan output laser hingar fasa rendah mod membujur tunggal dengan kuasa output 10 mW. Pada tahun 2015, pasukan tersebut menggunakan rongga cincin yang terdiri daripada gentian terdop erbium 45 cm sebagai medium penguatan penyebaran Brillouin untuk mendapatkan ambang rendah dan output laser lebar garis yang sempit.
Rajah 2 (a) Lukisan skematik laser gentian SLC;
(b) Bentuk garis isyarat heterodina yang diukur dengan kelewatan gentian 97.6 km
Masa siaran: 20-Nov-2023