Laserkildeteknologi tiloptisk fibersansning del et
Optisk fiberregistreringsteknologi er en type registreringsteknologi, der er udviklet sammen med optisk fiberteknologi og optisk fiberkommunikationsteknologi, og den er blevet en af de mest aktive grene af fotoelektrisk teknologi. Optiske fiberregistreringssystemer består hovedsageligt af laser, transmissionsfiber, registreringselement eller modulationsområde, lysdetektering og andre dele. Parametrene, der beskriver lysbølgers egenskaber, omfatter intensitet, bølgelængde, fase, polarisationstilstand osv. Disse parametre kan ændres af eksterne påvirkninger i optisk fibertransmission. For eksempel, når temperatur, belastning, tryk, strøm, forskydning, vibration, rotation, bøjning og kemiske mængder påvirker den optiske bane, ændres disse parametre tilsvarende. Optisk fiberregistrering er baseret på forholdet mellem disse parametre og eksterne faktorer for at detektere de tilsvarende fysiske størrelser.
Der er mange typer aflaserkildeanvendes i optiske fiberregistreringssystemer, som kan opdeles i to kategorier: kohærentlaserkilderog inkohærente lyskilder, inkohærentelyskilderomfatter hovedsageligt glødelamper og lysdioder, og kohærente lyskilder omfatter faste lasere, flydende lasere, gaslasere,halvlederlaserogfiberlaserDet følgende er primært tillaserlyskildehar i de senere år været meget anvendt inden for fiberregistrering: smal linjebredde enkeltfrekvenslaser, enkeltbølgelængde sweepfrekvenslaser og hvid laser.
1.1 Krav til smal linjebreddelaserlyskilder
Det optiske fiberregistreringssystem kan ikke adskilles fra laserkilden, da den målte signalbærerlysbølge, laserlyskildens egen ydeevne, såsom effektstabilitet, laserlinjebredde, fasestøj og andre parametre, spiller en afgørende rolle i det optiske fiberregistreringssystems detektionsafstand, detektionsnøjagtighed, følsomhed og støjegenskaber. I de senere år, med udviklingen af langdistance ultrahøjopløsnings-optiske fiberregistreringssystemer, har den akademiske verden og industrien stillet strengere krav til linjebreddeydeevnen for laserminiaturisering, primært inden for: optisk frekvensdomænerefleksionsteknologi (OFDR) bruger kohærent detektionsteknologi til at analysere de backrayleigh-spredte signaler fra optiske fibre i frekvensdomænet med en bred dækning (tusindvis af meter). Fordelene ved høj opløsning (millimeterniveauopløsning) og høj følsomhed (op til -100 dBm) er blevet en af de teknologier med brede anvendelsesmuligheder inden for distribueret optisk fibermåling og registreringsteknologi. Kernen i OFDR-teknologi er at bruge en justerbar lyskilde til at opnå optisk frekvensjustering, så laserkildens ydeevne bestemmer nøglefaktorer som OFDR-detektionsområde, følsomhed og opløsning. Når reflektionspunktafstanden er tæt på kohærenslængden, vil intensiteten af taktsignalet blive eksponentielt dæmpet med koefficienten τ/τc. For en Gaussisk lyskilde med en spektral form, for at sikre, at taktfrekvensen har mere end 90% synlighed, er forholdet mellem lyskildens linjebredde og den maksimale registreringslængde, som systemet kan opnå, Lmax ~ 0,04 vg/f, hvilket betyder, at for en fiber med en længde på 80 km er lyskildens linjebredde mindre end 100 Hz. Derudover stiller udviklingen af andre applikationer også højere krav til lyskildens linjebredde. For eksempel bestemmer lyskildens linjebredde i det optiske fiberhydrofonsystem systemstøjen og bestemmer også systemets mindste målbare signal. I Brillouin optisk tidsdomænereflektor (BOTDR) bestemmes måleopløsningen for temperatur og stress hovedsageligt af lyskildens linjebredde. I en resonator fiberoptisk gyro kan lysbølgens kohærenslængde øges ved at reducere lyskildens linjebredde, hvorved resonatorens finhed og resonansdybde forbedres, resonatorens linjebredde reduceres og fiberoptiske gyroens målenøjagtighed sikres.
1.2 Krav til sweep-laserkilder
Enkeltbølgelængde-sweeplasere har fleksibel bølgelængdejusteringsevne, kan erstatte flere lasere med fast bølgelængde, reducere omkostningerne ved systemkonstruktion og er en uundværlig del af et optisk fiberregistreringssystem. For eksempel har forskellige typer gasser i sporgasfiberregistrering forskellige gasabsorptionstoppe. For at sikre lysabsorptionseffektiviteten, når målegassen er tilstrækkelig, og opnå højere målefølsomhed, er det nødvendigt at justere bølgelængden af transmissionslyskilden med absorptionstoppen af gasmolekylet. Den type gas, der kan detekteres, bestemmes i det væsentlige af bølgelængden af den registrerende lyskilde. Derfor har smalle linjebreddelasere med stabil bredbåndsjusteringsevne højere målefleksibilitet i sådanne registreringssystemer. For eksempel skal laseren i nogle distribuerede optiske fiberregistreringssystemer baseret på refleksion i det optiske frekvensdomæne hurtigt og periodisk fejes for at opnå højpræcision kohærent detektion og demodulation af optiske signaler, så laserkildens modulationshastighed har relativt høje krav, og den justerbare lasers sweephastighed skal normalt nå 10 pm/μs. Derudover kan den bølgelængdejusterbare smallinjebreddelaser også anvendes i vid udstrækning i liDAR, laserfjernmåling og højopløsningsspektralanalyse og andre sensorfelter. For at opfylde kravene til højtydende parametre for tuning af båndbredde, tuningnøjagtighed og tuninghastighed for enkeltbølgelængdelasere inden for fibermåling, er det overordnede mål med at studere justerbare smallinjebreddefiberlasere i de senere år at opnå højpræcisionstuning i et større bølgelængdeområde på basis af at forfølge ultra-smal laserlinjebredde, ultra-lav fasestøj og ultra-stabil udgangsfrekvens og effekt.
1.3 Efterspørgsel efter hvid laserlyskilde
Inden for optisk sensorteknik er hvidlyslaser af høj kvalitet af stor betydning for at forbedre systemets ydeevne. Jo bredere spektrumdækningen af hvidlyslaseren er, desto mere omfattende er dens anvendelse i optiske fibersensorsystemer. For eksempel, når man bruger fiber Bragg-gitter (FBG) til at konstruere et sensornetværk, kan spektralanalyse eller en afstemmelig filtermatchningmetode anvendes til demodulation. Førstnævnte anvendte et spektrometer til direkte at teste hver FBG-resonansbølgelængde i netværket. Sidstnævnte anvendte et referencefilter til at spore og kalibrere FBG'en i sensorteknikken, som begge kræver en bredbåndslyskilde som testlyskilde for FBG'en. Fordi hvert FBG-adgangsnetværk har et vist indsættelsestab og en båndbredde på mere end 0,1 nm, kræver samtidig demodulation af flere FBG'er en bredbåndslyskilde med høj effekt og høj båndbredde. For eksempel, når man bruger langtidsfibergitter (LPFG) til registrering, da båndbredden for en enkelt tabspunkt er i størrelsesordenen 10 nm, kræves en bredspektret lyskilde med tilstrækkelig båndbredde og relativt fladt spektrum for nøjagtigt at karakterisere dens resonante topkarakteristika. Især akustisk fibergitter (AIFG) konstrueret ved hjælp af akusto-optisk effekt kan opnå et tuningsområde med en resonansbølgelængde på op til 1000 nm ved hjælp af elektrisk tuning. Derfor udgør dynamisk gittertestning med et så ultrabredt tuningsområde en stor udfordring for båndbreddeområdet for en bredspektret lyskilde. Tilsvarende er vippet Bragg-fibergitter i de senere år også blevet meget anvendt inden for fiberregistrering. På grund af dets multi-peak tabsspektrumkarakteristika kan bølgelængdefordelingsområdet normalt nå 40 nm. Dets registreringsmekanisme er normalt at sammenligne den relative bevægelse mellem flere transmissionstoppe, så det er nødvendigt at måle dens transmissionsspektrum fuldstændigt. Båndbredden og effekten af den bredspektrede lyskilde skal være højere.
2. Forskningsstatus i ind- og udland
2.1 Laserlyskilde med smal linjebredde
2.1.1 Halvleder distribueret feedbacklaser med smal linjebredde
I 2006 reducerede Cliche et al. MHz-skalaen for halvledereDFB-laser(distribueret feedbacklaser) til kHz-skala ved hjælp af elektrisk feedbackmetode; I 2011 anvendte Kessler et al. lavtemperatur og høj stabilitet i enkeltkrystal kombineret med aktiv feedbackkontrol til at opnå et ultra-smalt linjebreddelaseroutput på 40 MHz; I 2013 opnåede Peng et al. et halvlederlaseroutput med en linjebredde på 15 kHz ved hjælp af metoden med ekstern Fabry-Perot (FP) feedbackjustering. Den elektriske feedbackmetode anvendte primært Pond-Drever-Hall frekvensstabiliseringsfeedback til at reducere lyskildens laserlinjebredde. I 2010 producerede Bernhardi et al. 1 cm erbiumdoteret aluminiumoxid FBG på et siliciumoxidsubstrat for at opnå et laseroutput med en linjebredde på ca. 1,7 kHz. Samme år, Liang et al. anvendte selvinjektionsfeedbacken af baglæns Rayleigh-spredning dannet af en ekkovægsresonator med høj Q-værdi til kompression af halvlederlaserlinjebredden, som vist i figur 1, og opnåede endelig en laserudgang med smal linjebredde på 160 Hz.
Fig. 1 (a) Diagram over halvlederlaserlinjebreddekompression baseret på selvinjektions-Rayleigh-spredning af en ekstern hviskende gallery-mode resonator;
(b) Frekvensspektrum for den fritløbende halvlederlaser med en linjebredde på 8 MHz;
(c) Laserens frekvensspektrum med linjebredde komprimeret til 160 Hz
2.1.2 Fiberlaser med smal linjebredde
For lineære kavitetsfiberlasere opnås den smalle linjebreddelaserudgang i en enkelt longitudinel mode ved at forkorte resonatorens længde og øge det longitudinelle mode-interval. I 2004 opnåede Spiegelberg et al. en smal linjebreddelaserudgang i en enkelt longitudinel mode med en linjebredde på 2 kHz ved hjælp af DBR-kortkavitetsmetoden. I 2007 brugte Shen et al. en 2 cm kraftigt erbiumdoteret siliciumfiber til at skrive FBG på en Bi-Ge co-doteret lysfølsom fiber og smeltede den sammen med en aktiv fiber for at danne et kompakt lineært kavitet, hvilket gjorde dens laserudgangslinjebredde mindre end 1 kHz. I 2010 brugte Yang et al. et 2 cm kraftigt doteret kort lineært kavitet kombineret med et smalbånds FBG-filter til at opnå en enkelt longitudinel modelaserudgang med en linjebredde på mindre end 2 kHz. I 2014 brugte teamet et kort lineært hulrum (virtuel foldet ringresonator) kombineret med et FBG-FP-filter til at opnå et laseroutput med en smallere linjebredde, som vist i figur 3. I 2012 brugte Cai et al. en 1,4 cm kort hulrumsstruktur til at opnå et polariserende laseroutput med en udgangseffekt på over 114 mW, en central bølgelængde på 1540,3 nm og en linjebredde på 4,1 kHz. I 2013 brugte Meng et al. Brillouin-spredning af erbium-doteret fiber med et kort ringhulrum i en fuld-bias-bevarende enhed til at opnå et enkelt-longitudinelt mode, lavfasestøjlaseroutput med en udgangseffekt på 10 mW. I 2015 brugte teamet et ringhulrum bestående af 45 cm erbium-doteret fiber som Brillouin-spredningsforstærkningsmedium for at opnå et laseroutput med lav tærskel og smal linjebredde.
Fig. 2 (a) Skematisk tegning af SLC-fiberlaseren;
(b) Linjeformen af heterodynsignalet målt med 97,6 km fiberforsinkelse
Opslagstidspunkt: 20. november 2023