Laser kilde teknologi tiloptisk fibersansning af første del
Optisk fibersensorteknologi er en slags sensorteknologi udviklet sammen med optisk fiberteknologi og optisk fiberkommunikationsteknologi, og det er blevet en af de mest aktive grene af fotoelektrisk teknologi.Optisk fibersensorsystem er hovedsageligt sammensat af laser, transmissionsfiber, sensorelement eller moduleringsområde, lysdetektion og andre dele.Parametrene, der beskriver lysbølgens karakteristika, omfatter intensitet, bølgelængde, fase, polarisationstilstand osv. Disse parametre kan ændres af ydre påvirkninger i optisk fibertransmission.For eksempel, når temperatur, belastning, tryk, strøm, forskydning, vibration, rotation, bøjning og kemisk mængde påvirker den optiske vej, ændres disse parametre tilsvarende.Optisk fiberføling er baseret på forholdet mellem disse parametre og eksterne faktorer for at detektere de tilsvarende fysiske størrelser.
Der er mange typerlaserkildeanvendes i optiske fibersensorsystemer, som kan opdeles i to kategorier: sammenhængendelaserkilderog usammenhængende lyskilder, usammenhængendelyskilderomfatter hovedsageligt glødelys og lysemitterende dioder, og sammenhængende lyskilder omfatter solide lasere, flydende lasere, gaslasere,halvleder laserogfiber laser.Det følgende er primært forlaser lyskildemeget udbredt inden for fiberføling i de senere år: enkelt-frekvenslaser med smal linjebredde, enkeltbølgelængde-sweep-frekvenslaser og hvid laser.
1.1 Krav til smal linjebreddelaser lyskilder
Optisk fibersensorsystem kan ikke adskilles fra laserkilden, da den målte signalbærerlysbølge, laserlyskildens egen ydeevne, såsom strømstabilitet, laserlinjebredde, fasestøj og andre parametre på det optiske fibersensorsystem detektionsafstand, detektion nøjagtighed, følsomhed og støjkarakteristika spiller en afgørende rolle.I de seneste år, med udviklingen af langdistance ultra-høj opløsning optiske fiber sensing systemer, har den akademiske verden og industrien fremsat strengere krav til linjebredde ydeevne af laser miniaturisering, hovedsageligt i: optisk frekvens domæne refleksion (OFDR) teknologi bruger sammenhængende detektionsteknologi til at analysere backrayleigh spredte signaler fra optiske fibre i frekvensdomænet, med en bred dækning (tusindvis af meter).Fordelene ved høj opløsning (opløsning på millimeterniveau) og høj følsomhed (op til -100 dBm) er blevet en af teknologierne med brede anvendelsesmuligheder inden for distribueret optisk fibermåling og sensingteknologi.Kernen i OFDR-teknologi er at bruge afstembar lyskilde til at opnå optisk frekvensjustering, så laserkildens ydeevne bestemmer nøglefaktorerne såsom OFDR-detektionsområde, følsomhed og opløsning.Når reflektionspunktafstanden er tæt på kohærenslængden, vil intensiteten af slagsignalet blive eksponentielt dæmpet af koefficienten τ/τc.For en gaussisk lyskilde med en spektral form, for at sikre, at slagfrekvensen har mere end 90 % synlighed, er forholdet mellem lyskildens linjebredde og den maksimale senselængde, som systemet kan opnå, Lmax~0,04vg /f, hvilket betyder, at for en fiber med en længde på 80 km er lyskildens linjebredde mindre end 100 Hz.Derudover stillede udviklingen af andre applikationer også højere krav til lyskildens linjebredde.For eksempel i det optiske fiberhydrofonsystem bestemmer lyskildens liniebredde systemstøjen og bestemmer også systemets mindste målbare signal.I Brillouin optisk tidsdomænereflektor (BOTDR) bestemmes måleopløsningen af temperatur og stress hovedsageligt af lyskildens linjebredde.I en fiberoptisk resonatorgyro kan lysbølgens kohærenslængde øges ved at reducere lyskildens linjebredde, hvorved resonatorens finhed og resonansdybde forbedres, resonatorens linjebredde reduceres og målingen sikres. nøjagtigheden af den fiberoptiske gyro.
1.2 Krav til sweep laserkilder
Enkelt bølgelængde sweep laser har fleksibel bølgelængde tuning ydeevne, kan erstatte flere output fast bølgelængde lasere, reducere omkostningerne ved systemkonstruktion, er en uundværlig del af optisk fiber sensing system.For eksempel ved sporgasfiberføling har forskellige slags gasser forskellige gasabsorptionstoppe.For at sikre lysabsorptionseffektiviteten, når målegassen er tilstrækkelig og opnå højere målefølsomhed, er det nødvendigt at justere bølgelængden af transmissionslyskilden med gasmolekylets absorptionstoppe.Den type gas, der kan detekteres, er i det væsentlige bestemt af bølgelængden af den detekterende lyskilde.Derfor har lasere med smal linjebredde med stabil bredbåndsindstillingsydelse højere målefleksibilitet i sådanne sensorsystemer.For eksempel, i nogle distribuerede optiske fibersensorsystemer baseret på optisk frekvensdomænereflektion, skal laseren hurtigt periodisk fejes for at opnå højpræcision kohærent detektion og demodulation af optiske signaler, så modulationshastigheden af laserkilden har relativt høje krav , og sweep-hastigheden af den justerbare laser er normalt påkrævet for at nå 10 pm/μs.Derudover kan den bølgelængdejusterbare laser med smal linjebredde også bruges i vid udstrækning i liDAR, laserfjernmåling og højopløsningsspektralanalyse og andre registreringsfelter.For at opfylde kravene til højtydende parametre for tuning af båndbredde, tuning-nøjagtighed og tuning-hastighed for enkeltbølgelængdelasere inden for fiberføling, er det overordnede mål med at studere tunbare smal-bredde fiberlasere i de senere år at opnå høj- præcisionstuning i et større bølgelængdeområde på basis af at forfølge ultrasmal laserlinjebredde, ultralav fasestøj og ultrastabil udgangsfrekvens og effekt.
1.3 Efterspørgsel efter hvid laserlyskilde
Inden for optisk sensing er højkvalitetslaser med hvidt lys af stor betydning for at forbedre systemets ydeevne.Jo bredere spektrumdækning af hvid lyslaser er, jo mere omfattende er dens anvendelse i optiske fibersensorsystemer.For eksempel, når du bruger fiber Bragg-gitter (FBG) til at konstruere et sensornetværk, kan spektralanalyse eller tunbar filtertilpasningsmetode bruges til demodulation.Førstnævnte brugte et spektrometer til direkte at teste hver FBG-resonansbølgelængde i netværket.Sidstnævnte bruger et referencefilter til at spore og kalibrere FBG'en i sensingen, som begge kræver en bredbåndslyskilde som testlyskilde for FBG'en.Fordi hvert FBG-adgangsnetværk vil have et vist indsættelsestab og har en båndbredde på mere end 0,1 nm, kræver den samtidige demodulation af flere FBG en bredbåndslyskilde med høj effekt og høj båndbredde.For eksempel, når der anvendes langtidsfibergitter (LPFG) til sansning, da båndbredden af en enkelt tabstop er i størrelsesordenen 10 nm, kræves der en bredspektret lyskilde med tilstrækkelig båndbredde og relativt fladt spektrum for nøjagtigt at karakterisere dens resonans. topkarakteristika.Især kan akustisk fibergitter (AIFG) konstrueret ved at bruge akusto-optisk effekt opnå et tuningområde med resonansbølgelængder op til 1000 nm ved hjælp af elektrisk tuning.Derfor udgør dynamisk gittertest med et så ultrabredt tuningområde en stor udfordring for båndbreddeområdet for en bredspektret lyskilde.Tilsvarende er vippede Bragg-fiberriste i de senere år også blevet meget brugt inden for fiberføling.På grund af dets multi-peak tab spektrum karakteristika kan bølgelængdefordelingsområdet normalt nå 40 nm.Dens følemekanisme er normalt at sammenligne den relative bevægelse blandt flere transmissionstoppe, så det er nødvendigt at måle dets 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 Halvlederdistribueret feedbacklaser med smal linjebredde
I 2006, Cliche et al.reduceret MHz-skalaen for halvledereDFB laser(distribueret feedback-laser) til kHz-skala ved hjælp af elektrisk feedback-metode;I 2011, Kessler et al.brugt lav temperatur og høj stabilitet enkelt krystal hulrum kombineret med aktiv feedback kontrol for at opnå ultra-smal linjebredde laser output på 40 MHz;I 2013 opnåede Peng et al. et halvlederlaseroutput med en linjebredde på 15 kHz ved at bruge metoden til ekstern Fabry-Perot (FP) feedbackjustering.Den elektriske feedback-metode brugte hovedsageligt Pond-Drever-Hall frekvensstabiliseringsfeedback for at få lyskildens laserlinjebredde til at blive reduceret.I 2010 skrev Bernhardi et al.producerede 1 cm erbium-doteret aluminiumoxid FBG på et siliciumoxidsubstrat for at opnå et laseroutput med en linjebredde på ca. 1,7 kHz.Samme år skrev Liang et al.brugte selvinjektionsfeedback af baglæns Rayleigh-spredning dannet af en høj-Q ekko-vægresonator til halvlederlaser-linjebredde-kompression, som vist i figur 1, og opnåede endelig en smal linjebredde-laseroutput på 160 Hz.
Fig. 1 (a) Diagram af halvlederlaserlinjebreddekompression baseret på selvinjektion Rayleigh-spredning af ekstern hviskegalleritilstandsresonator;
(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 laseroutputtet med smalle liniebredder af enkelt langsgående modus ved at forkorte længden af resonatoren og øge det langsgående modusinterval.I 2004, Spiegelberg et al.opnået en enkelt longitudinel mode laseroutput med smal linjebredde med en linjebredde på 2 kHz ved at bruge DBR-metoden med kort hulrum.I 2007, Shen et al.brugte en 2 cm tungt erbium-doteret siliciumfiber til at skrive FBG på en Bi-Ge co-doteret lysfølsom fiber og fusionerede den med en aktiv fiber for at danne et kompakt lineært hulrum, hvilket gjorde dens laserudgangslinjebredde mindre end 1 kHz.I 2010, Yang et al.brugte et 2 cm stærkt doteret kort lineært hulrum kombineret med et smalbånds FBG-filter for at opnå et enkelt longitudinelt laseroutput med en linjebredde på mindre end 2 kHz.I 2014 brugte holdet et kort lineært hulrum (virtuel foldet ringresonator) kombineret med et FBG-FP-filter for at opnå et laseroutput med en smallere linjebredde, som vist i figur 3. I 2012, Cai et al.brugte en 1,4 cm kort hulrumsstruktur til at opnå et polariserende laseroutput med en udgangseffekt på mere end 114 mW, en central bølgelængde på 1540,3 nm og en linjebredde på 4,1 kHz.I 2013, Meng et al.brugte Brillouin-spredning af erbium-doteret fiber med et kort ringhulrum af en fuld-bias-konserverende enhed for at opnå en enkelt-langsgående modus, lavfasestøjlaserudgang med en udgangseffekt på 10 mW.I 2015 brugte holdet et ringhulrum bestående af 45 cm erbium-doteret fiber som Brillouin-spredningsforstærkningsmediet for at opnå en laseroutput med lav tærskel og smal linjebredde.
Fig. 2 (a) Skematisk tegning af SLC fiberlaseren;
(b) Linjeform af det heterodyne signal målt med 97,6 km fiberforsinkelse
Indlægstid: 20. nov. 2023