Teknologi sumber laser untukgentian optikpenderiaan Bahagian Pertama
Teknologi penderiaan gentian optik ialah sejenis teknologi penderiaan yang dibangunkan bersama teknologi gentian optik dan teknologi komunikasi gentian optik, dan ia telah menjadi salah satu cabang teknologi fotoelektrik yang paling aktif.Sistem penderiaan gentian optik terutamanya terdiri daripada laser, gentian penghantaran, elemen penderiaan atau kawasan modulasi, pengesanan cahaya dan bahagian lain.Parameter yang menerangkan ciri-ciri gelombang cahaya termasuk keamatan, panjang gelombang, fasa, keadaan polarisasi, dll. Parameter ini boleh diubah oleh pengaruh luaran dalam penghantaran gentian optik.Sebagai contoh, apabila suhu, terikan, tekanan, arus, anjakan, getaran, putaran, lenturan dan kuantiti kimia mempengaruhi laluan optik, parameter ini berubah sejajar.Penderiaan gentian optik adalah berdasarkan hubungan antara parameter ini dan faktor luaran untuk mengesan kuantiti fizikal yang sepadan.
Terdapat banyak jenissumber laserdigunakan dalam sistem pengesan gentian optik, yang boleh dibahagikan kepada dua kategori: koherensumber laserdan sumber cahaya tidak koheren, tidak koherensumber cahayaterutamanya termasuk lampu pijar dan diod pemancar cahaya, dan sumber cahaya koheren termasuk laser pepejal, laser cecair, laser gas,laser semikonduktordanlaser gentian.Yang berikut adalah terutamanya untuksumber cahaya laserdigunakan secara meluas dalam bidang penderiaan gentian dalam beberapa tahun kebelakangan ini: lebar garisan sempit laser frekuensi tunggal, laser frekuensi sapuan panjang gelombang tunggal dan laser putih.
1.1 Keperluan untuk lebar talian yang sempitsumber cahaya laser
Sistem pengesan gentian optik tidak boleh dipisahkan daripada sumber laser, kerana gelombang cahaya pembawa isyarat yang diukur, prestasi sumber cahaya laser itu sendiri, seperti kestabilan kuasa, lebar garis laser, bunyi fasa dan parameter lain pada jarak pengesanan sistem pengesan gentian optik, pengesanan. ciri ketepatan, kepekaan dan bunyi bising memainkan peranan yang menentukan.Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, dengan pembangunan sistem pengesan gentian optik resolusi ultra-tinggi jarak jauh, akademia dan industri telah mengemukakan keperluan yang lebih ketat untuk prestasi lebar garis pengecilan laser, terutamanya dalam: teknologi pantulan domain frekuensi optik (OFDR) menggunakan koheren. teknologi pengesanan untuk menganalisis isyarat berselerak backrayleigh gentian optik dalam domain frekuensi, dengan liputan yang luas (beribu-ribu 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 gentian optik teragih dan penderiaan.Teras teknologi OFDR adalah menggunakan sumber cahaya boleh tala untuk mencapai penalaan frekuensi optik, jadi prestasi sumber laser menentukan faktor utama seperti julat pengesanan OFDR, sensitiviti dan resolusi.Apabila jarak titik pantulan hampir dengan panjang koheren, keamatan isyarat rentak akan dilemahkan secara eksponen oleh pekali τ/τc.Untuk sumber cahaya Gaussian dengan bentuk spektrum, untuk memastikan bahawa frekuensi denyutan mempunyai lebih daripada 90% keterlihatan, hubungan antara lebar garis sumber cahaya dan panjang penderiaan maksimum yang boleh dicapai oleh sistem ialah Lmax~0.04vg /f, yang bermaksud bahawa untuk 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 talian sumber cahaya.Sebagai contoh, dalam sistem hidrofon gentian optik, lebar talian sumber cahaya menentukan bunyi sistem dan juga menentukan isyarat terukur minimum sistem.Dalam pemantul domain masa optik Brillouin (BOTDR), resolusi pengukuran suhu dan tegasan ditentukan terutamanya oleh lebar garis sumber cahaya.Dalam giro gentian optik resonator, panjang koheren gelombang cahaya boleh ditingkatkan dengan mengurangkan lebar garis sumber cahaya, dengan itu meningkatkan kehalusan dan kedalaman resonans resonator, mengurangkan lebar garisan resonator, dan memastikan pengukuran ketepatan giro gentian optik.
1.2 Keperluan untuk sumber laser sapuan
Laser sapuan panjang gelombang tunggal mempunyai prestasi penalaan panjang gelombang yang fleksibel, boleh menggantikan berbilang keluaran laser panjang gelombang tetap, mengurangkan kos pembinaan sistem, merupakan bahagian yang amat diperlukan dalam sistem pengesan gentian optik.Contohnya, dalam pengesan 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 talian sempit dengan prestasi penalaan jalur lebar yang stabil mempunyai fleksibiliti pengukuran yang lebih tinggi dalam sistem penderiaan sedemikian.Sebagai contoh, dalam beberapa sistem pengesan gentian optik yang diedarkan berdasarkan pantulan domain frekuensi optik, laser perlu disapu dengan cepat secara berkala untuk mencapai pengesanan koheren berketepatan 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 malam/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 dan medan penderiaan lain.Untuk memenuhi keperluan parameter prestasi tinggi bagi lebar jalur penalaan, ketepatan penalaan dan kelajuan penalaan laser panjang gelombang tunggal dalam bidang penderiaan gentian, matlamat keseluruhan untuk mengkaji laser gentian lebar sempit boleh tala dalam beberapa tahun kebelakangan ini adalah untuk mencapai tinggi- penalaan ketepatan dalam julat panjang gelombang yang lebih besar atas dasar 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 adalah sangat penting untuk meningkatkan prestasi sistem.Semakin luas liputan spektrum laser cahaya putih, semakin meluas penggunaannya dalam sistem pengesan gentian optik.Contohnya, apabila menggunakan parut Bragg gentian (FBG) untuk membina rangkaian penderia, analisis spektrum atau kaedah padanan penapis boleh tala boleh digunakan untuk penyahmodulasian.Yang pertama menggunakan spektrometer untuk menguji secara langsung setiap panjang gelombang resonan FBG dalam rangkaian.Yang terakhir menggunakan penapis rujukan untuk menjejak dan menentukur FBG dalam penderiaan, yang kedua-duanya memerlukan sumber cahaya jalur lebar sebagai sumber cahaya ujian untuk FBG.Oleh kerana setiap rangkaian capaian FBG akan mengalami 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 tinggi.Sebagai contoh, apabila menggunakan parut gentian jangka panjang (LPFG) untuk penderiaan, memandangkan lebar jalur puncak kehilangan tunggal adalah dalam susunan 10 nm, sumber cahaya spektrum luas dengan lebar jalur yang mencukupi dan spektrum yang agak rata diperlukan untuk mencirikan resonansinya dengan tepat. ciri puncak.Khususnya, parut 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 parut dinamik dengan julat penalaan ultra-lebar sedemikian menimbulkan cabaran hebat kepada julat lebar jalur sumber cahaya spektrum luas.Begitu juga, dalam beberapa tahun kebelakangan ini, parut gentian Bragg condong juga telah digunakan secara meluas dalam bidang penderiaan gentian.Oleh kerana ciri spektrum kehilangan berbilang puncaknya, julat pengedaran panjang gelombang biasanya boleh mencapai 40 nm.Mekanisme penderiaannya biasanya untuk membandingkan pergerakan relatif antara beberapa puncak penghantaran, jadi adalah perlu untuk mengukur spektrum penghantarannya sepenuhnya.Lebar jalur dan kuasa sumber cahaya spektrum luas diperlukan lebih tinggi.
2. Status penyelidikan di dalam dan luar negara
2.1 Sumber cahaya laser lebar talian sempit
2.1.1 Laser maklum balas teragih semikonduktor lebar talian 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 suhu rendah dan kestabilan tinggi rongga kristal tunggal digabungkan dengan kawalan maklum balas aktif untuk mendapatkan keluaran laser lebar talian ultra sempit sebanyak 40 MHz;Pada tahun 2013, Peng et al memperoleh output laser semikonduktor dengan lebar talian 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 menjadikan lebar garis laser sumber cahaya dikurangkan.Pada tahun 2010, Bernhardi et al.menghasilkan 1 cm alumina berdop erbium FBG pada substrat silikon oksida untuk mendapatkan output laser dengan lebar garisan kira-kira 1.7 kHz.Pada tahun yang sama, Liang et al.menggunakan maklum balas suntikan kendiri taburan Rayleigh ke belakang yang dibentuk oleh resonator dinding gema Q tinggi untuk pemampatan lebar garisan laser semikonduktor, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1, dan akhirnya memperoleh output laser lebar garis sempit 160 Hz.
Rajah 1 (a) Gambar rajah pemampatan lebar garis laser semikonduktor berdasarkan penyerakan Rayleigh suntikan kendiri resonator mod galeri bisikan luar;
(b) Spektrum kekerapan laser semikonduktor berjalan bebas dengan lebar talian 8 MHz;
(c) Spektrum frekuensi laser dengan lebar talian dimampatkan kepada 160 Hz
2.1.2 Laser gentian lebar talian sempit
Untuk laser gentian rongga linear, keluaran laser lebar garis sempit mod membujur tunggal diperolehi dengan memendekkan panjang resonator dan meningkatkan selang mod membujur.Pada tahun 2004, Spiegelberg et al.memperoleh keluaran laser lebar talian sempit mod longitudinal tunggal dengan lebar talian 2 kHz dengan menggunakan kaedah rongga pendek DBR.Pada tahun 2007, Shen et al.menggunakan gentian silikon dop erbium 2 cm berat untuk menulis FBG pada gentian fotosensitif dop bersama Bi-Ge, dan menggabungkannya dengan gentian aktif untuk membentuk rongga linear padat, menjadikan lebar garisan keluaran lasernya kurang daripada 1 kHz.Pada tahun 2010, Yang et al.menggunakan rongga linear pendek berdop tinggi 2cm digabungkan dengan penapis FBG jalur sempit untuk mendapatkan keluaran laser mod longitudinal tunggal dengan lebar talian kurang daripada 2 kHz.Pada tahun 2014, pasukan menggunakan rongga linear pendek (resonator cincin terlipat maya) digabungkan dengan penapis FBG-FP untuk mendapatkan output laser dengan lebar garisan yang lebih sempit, seperti 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 garisan 4.1 kHz.Pada tahun 2013, Meng et al.menggunakan taburan Brillouin gentian berdop erbium dengan rongga gelang pendek peranti pengawet berat sebelah penuh untuk mendapatkan mod membujur tunggal, keluaran laser hingar fasa rendah dengan kuasa output 10 mW.Pada tahun 2015, pasukan itu menggunakan rongga cincin yang terdiri daripada gentian dop erbium 45 cm sebagai medium perolehan penyerakan Brillouin untuk mendapatkan ambang rendah dan output laser lebar talian yang sempit.
Rajah 2 (a) Lukisan skematik laser gentian SLC;
(b) Bentuk garis isyarat heterodina diukur dengan kelewatan gentian 97.6 km
Masa siaran: Nov-20-2023