Laser kildeteknologi tilOptisk fiberFøler del 1
Optisk fiberfølingsteknologi er en slags sensing -teknologi udviklet sammen med optisk fiberteknologi og optisk fiberkommunikationsteknologi, og den er blevet en af de mest aktive grene af fotoelektrisk teknologi. Optisk fiberfølelsessystem er hovedsageligt sammensat af laser, transmissionsfiber, sensingelement eller modulationsområde, lysdetektion og andre dele. Parametrene, der beskriver egenskaberne ved lysbølge, inkluderer intensitet, bølgelængde, fase, polarisationstilstand osv. Disse parametre kan ændres ved eksterne påvirkninger i optisk fiberoverførsel. For eksempel, når temperatur, belastning, tryk, strøm, forskydning, vibration, rotation, bøjning og kemisk mængde påvirker den optiske sti, ændres disse parametre tilsvarende. Optisk fiberfølelse er baseret på forholdet mellem disse parametre og eksterne faktorer til at detektere de tilsvarende fysiske mængder.
Der er mange typer aflaserkildeBrugt i optiske fiberfølelsessystemer, der kan opdeles i to kategorier: sammenhængendelaserkilderog usammenhængende lyskilder, usammenhængendelyskilderInkluder hovedsageligt glødelys og lysemitterende dioder og sammenhængende lyskilder inkluderer faste lasere, flydende lasere, gaslasere,halvlederlaserogFiberlaser. Følgende er hovedsageligt tilLaser lyskildeVerligt brugt inden for fiberfølelse i de senere år: smal linjebredde enkeltfrekvente laser, sweep frekvenslaser med én bølgelængde og hvid laser.
1.1 Krav til smal linebreddeLaser lyskilder
Optisk fiberfølelsessystem kan ikke adskilles fra laserkilden, da den målte signalbærer lysbølge, selve laserlyskilde -ydelse, såsom kraftstabilitet, laserlinjevidtid, fasestøj og andre parametre på det optiske fiberfølende systemdetekteringsafstand, detektionsnøjagtighed, følsomhed og støjegenskaber spiller en afgørende rolle. I de senere år, med udviklingen af langdistance-ultrahøj opløsning af optiske fiberfølelsessystemer, har akademia og industri fremsat strengere krav til linjebredde-ydelsen af laserminiaturisering, hovedsageligt i: optiske frekvensområde refleksion (OFDR) teknologi bruger sammenhængende påvisningsteknologi til at analysere backrayleigh-spredte tegn af optiske fibre i frekvensen domæne, med en bred dækning (tusinder af meter). Fordelene ved høj opløsning (opløsning på millimeterniveau) og høj følsomhed (op til -100 dBm) er blevet en af teknologierne med brede anvendelsesudsigter i distribueret optisk fibermåling og sensingteknologi. Kernen i OFDR -teknologi er at bruge indstillelig lyskilde til at opnå optisk frekvensindstilling, så ydelsen af laserkilden bestemmer de vigtigste faktorer, såsom OFDR -detektionsområde, følsomhed og opløsning. Når reflektionspunktafstanden er tæt på sammenhængslængden, vil intensiteten af beat -signalet blive eksponentielt svækket af koefficienten τ/τc. For en gaussisk lyskilde med en spektral form for at sikre, at beat -frekvensen har mere end 90% synlighed, er forholdet mellem linjens bredde af lyskilden og den maksimale sensinglængde, som systemet kan opnå, lmax ~ 0,04Vg/F, hvilket betyder, at for en fiber med en længde på 80 km, er linjebredden af lyskilden mindre end 100 Hz. Derudover fremsatte udviklingen af andre applikationer også højere krav til linjevinstens lyskilde. I det optiske fiberhydrofonsystem bestemmer for eksempel linjevidtningen af lyskilden systemstøj og bestemmer også det minimale målbare signal for systemet. I Brillouin Optical Time Domain Reflector (BOTDR) bestemmes måleopløsningen af temperatur og stress hovedsageligt af linjens bredde af lyskilden. I en resonatorfiberoptisk gyro kan sammenhængslængden af lysbølgen øges ved at reducere linjens bredde af lyskilden, hvilket forbedrer resonatorens finhed og resonansdybde, hvilket reducerer resonatorens bredde og sikrer måle -nøjagtigheden af den fiberoptiske gyro.
1.2 Krav til fejelaserkilder
Enkelt bølgelængde Sweep Laser har fleksibel bølgelængdeindstillingsydelse, kan erstatte flere output -faste bølgelængde -lasere, reducere omkostningerne ved systemkonstruktion, er en uundværlig del af det optiske fiberfølende system. For eksempel i sporing af gasfiber har forskellige former for gasser forskellige gasabsorptionstoppe. For at sikre lysabsorptionseffektiviteten, når målegassen er tilstrækkelig og opnår 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 sensinglyskilde. Derfor har smalle linjebredde -lasere med stabil bredbåndstuningydelse højere målefleksibilitet i sådanne sensingssystemer. For eksempel skal laseren i nogle distribuerede optiske fiberfølelsessystemer, der er baseret på optisk frekvensdomæne-refleksion, fejes hurtigt med jævne mellemrum for at opnå højpræcisionskohærendetektion og demodulering af optiske signaler, så moduleringshastigheden for laserkilden har relativt høje krav, og den fejershastighed af den justerbare laser er normalt krævet for at nå 10 PM/μs. Derudover kan den bølgelængde, der er indstillelig smal linebredde-laser, også bruges i vid udstrækning i LIDAR, laser-fjernfølelse og spektralanalyse med høj opløsning og andre sensingfelter. In order to meet the requirements of high performance parameters of tuning bandwidth, tuning accuracy and tuning speed of single-wavelength lasers in the field of fiber sensing, the overall goal of studying tunable narrow-width fiber lasers in recent years is to achieve high-precision tuning in a larger wavelength range on the basis of pursuing ultra-narrow laser linewidth, ultra-low phase noise, and Ultra-stabil outputfrekvens og strøm.
1.3 Efterspørgsel efter hvid laserlyskilde
Inden for optisk sensing er det hvidt lys laser af høj kvalitet af stor betydning for at forbedre systemets ydelse. Jo bredere spektrumdækning af hvidt lys laser er, jo mere omfattende dens anvendelse i optisk fiberfølelsessystem. For eksempel, når man bruger Fiber Bragg -gitter (FBG) til at konstruere et sensornetværk, kan spektral analyse eller indstillelig filtermatchningsmetode bruges til demodulation. Førstnævnte anvendte et spektrometer til direkte at teste hver FBG -resonansbølgelængde i netværket. Sidstnævnte bruger et referencefilter til at spore og kalibrere FBG i sensoren, som begge kræver en bredbåndslyskilde som en testlyskilde for FBG. Da hvert FBG -adgangsnetværk har et bestemt tab af indsættelser og har en båndbredde på mere end 0,1 nm, kræver den samtidige demodulering af flere FBG en bredbåndslyskilde med høj effekt og høj båndbredde. For eksempel, når man bruger lang periode fibergitter (LPFG) til at føle, da båndbredden af et enkelt tabs topp er i størrelsesordenen 10 nm, kræves en bred spektrum lyskilde med tilstrækkelig båndbredde og relativt fladt spektrum nøjagtigt for at karakterisere dets resonante topkarakteristika. Især kan akustisk fibergitter (AIFG) konstrueret ved anvendelse af akusto-optisk effekt opnå et tuningsområde af resonansbølgelængde op til 1000 nm ved hjælp af elektrisk tuning. Derfor udgør dynamisk gittertest med en sådan ultrabelt tuningsområde en stor udfordring for båndbreddeområdet for en bredspektret lyskilde. Tilsvarende i de senere år er vippet Bragg Fiber -gitter også blevet brugt i vid udstrækning inden for fiberfølelse. På grund af dets multipeak-tabsspektrumskarakteristika kan bølgelængdefordelingsområdet normalt nå 40 nm. Dens sensingmekanisme er normalt at sammenligne den relative bevægelse mellem flere transmissionstoppe, så det er nødvendigt at måle dets transmissionsspektrum fuldstændigt. Båndbredden og kraften i den brede spektrum lyskilde skal være højere.
2. Forskningsstatus i indlandet og i udlandet
2.1 Smal Line Width Laser Ly
2.1.1 Smal Line Width Semiconductor Distribueret feedback -laser
I 2006 har Cliche et al. Reduceret MHz -skalaen af halvlederDFB -laser(Distribueret feedback -laser) til KHZ -skala ved hjælp af elektrisk feedback -metode; I 2011 har Kessler et al. Brugt lav temperatur og høj stabilitet enkeltkrystalhulrum kombineret med aktiv feedbackkontrol for at opnå ultra-narrow linebredde laserudgang på 40 MHz; I 2013 opnåede Peng et al en halvlederlaserudgang med en linjebredde på 15 kHz ved anvendelse af metoden til ekstern Fabry-Perot (FP) feedbackjustering. Den elektriske feedback-metode anvendte hovedsageligt dam-krever-hall-frekvensstabiliseringsfeedback for at få laserlinjeværdien af lyskilden til at blive reduceret. I 2010 har Bernhardi et al. Produceret 1 cm Erbium-dopet aluminiumoxid FBG på et siliciumoxid-substrat for at opnå et laserudgang med en liniebredde på ca. 1,7 kHz. Samme år har Liang et al. Brugte selvinjektionsfeedback fra bagud Rayleigh-spredning dannet af en høj-Q Echo Wall Resonator til halvlederlaserlinie-bredde-komprimering, som vist i figur 1, og opnåede til sidst en smal linjebredde laserudgang på 160 Hz.
Fig. 1 (a) Diagram over halvlederlaser Line Width-komprimering baseret på selvinjektionen Rayleigh-spredning af ekstern hviskende galleri-tilstand resonator;
(b) frekvensspektrum af den frie kørende halvlederlaser med linjebredde på 8 MHz;
(c) Frekvensspektret af laseren med linjebredde komprimeret til 160 Hz
2.1.2 Smal linebreddefiberlaser
For lineære hulrumsfiberlasere opnås den smalle linjebredde -laserudgang af enkelt langsgående tilstand ved at forkorte længden af resonatoren og øge intervallet i langsgående tilstand. I 2004 har Spiegelberg et al. Opnået en enkelt langsgående tilstand smal linebredde laserudgang med en linjebredde på 2 kHz ved anvendelse af DBR kort hulrumsmetode. I 2007 har Shen et al. Brugte en 2 cm stærkt Erbium-dopet siliciumfiber til at skrive FBG på en Bi-Ge co-dopet fotosensitiv fiber og smeltede den med en aktiv fiber til at danne et kompakt lineært hulrum, hvilket gør sin laserudgangsliniebredde mindre end 1 kHz. I 2010 har Yang et al. Brugt et 2 cm stærkt dopet kort lineært hulrum kombineret med et smalbånd FBG -filter for at opnå en enkelt laserudgang med langsgående tilstand 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 for at opnå et laserudgang med en smallere linjebredde, som vist i figur 3. i 2012, Cai et al. Brugt en 1,4 cm kort hulrumsstruktur til at opnå en polariserende laserudgang med en udgangseffekt større end 114 MW, en central bølgelængde på 1540,3 nm og en linjebredde på 4,1 kHz. I 2013, Meng et al. Brugt Brillouin-spredning af erbium-dopet fiber med et kort ringhulrum af en fyldig, der bevarer enhed til at opnå en enkelt-langhitdinal tilstand, lavfaset støjlaserudgang med en udgangseffekt på 10 MW. I 2015 brugte teamet et ringhulrum sammensat af 45 cm erbium-dopet fiber som Brillouin-spredningsforstærkningsmedium for at opnå en lav tærskel og smal lasbredde laserudgang.
Fig. 2 (a) skematisk tegning af SLC -fiberlaser;
(b) Lineshape af Heterodyne -signalet målt med 97,6 km fiberforsinkelse
Posttid: nov-20-2023