Tehnologija laserskog izvora zaoptičko vlaknoosjećanje Prvi dio
Tehnologija senzora optičkih vlakana je vrsta tehnologije senzora razvijene zajedno s tehnologijom optičkih vlakana i tehnologijom komunikacije optičkim vlaknima, te je postala jedna od najaktivnijih grana fotoelektrične tehnologije. Sistem senzora optičkih vlakana uglavnom se sastoji od lasera, prijenosnog vlakna, senzorskog elementa ili područja modulacije, detekcije svjetlosti i drugih dijelova. Parametri koji opisuju karakteristike svjetlosnog vala uključuju intenzitet, talasnu dužinu, fazu, stanje polarizacije itd. Ovi parametri se mogu mijenjati vanjskim utjecajima u prijenosu optičkih vlakana. Na primjer, kada temperatura, naprezanje, pritisak, struja, pomak, vibracije, rotacija, savijanje i hemijske količine utječu na optički put, ovi parametri se shodno tome mijenjaju. Senzori optičkih vlakana zasnivaju se na odnosu između ovih parametara i vanjskih faktora kako bi se detektirale odgovarajuće fizičke veličine.
Postoji mnogo vrstalaserski izvorkoristi se u sistemima za detekciju optičkih vlakana, koji se mogu podijeliti u dvije kategorije: koherentnilaserski izvorii nekoherentni izvori svjetlosti, nekoherentniizvori svjetlostiuglavnom uključuju žarulje sa žarnom niti i svjetleće diode, a koherentni izvori svjetlosti uključuju lasere sa čvrstim vlaknima, tečne lasere, plinske lasere,poluprovodnički laserivlaknasti laserSljedeće je uglavnom zaizvor laserske svjetlostiŠiroko korišteni u području optičkih senzora posljednjih godina: laser uske širine linije s jednom frekvencijom, laser s jednom valnom dužinom i bijeli laser.
1.1 Zahtjevi za usku širinu linijeizvori laserske svjetlosti
Sistem za detekciju optičkih vlakana ne može se odvojiti od laserskog izvora, jer izmjereni svjetlosni talas nosioca signala, same performanse laserskog izvora svjetlosti, kao što su stabilnost snage, širina laserske linije, fazni šum i drugi parametri koji utiču na udaljenost detekcije, tačnost detekcije, osjetljivost i karakteristike šuma sistema za detekciju optičkih vlakana, igraju odlučujuću ulogu. Posljednjih godina, razvojem sistema za detekciju optičkih vlakana ultra visoke rezolucije na velike udaljenosti, akademska zajednica i industrija su postavile strože zahtjeve za performanse širine linije minijaturizacije lasera, uglavnom u: tehnologiji refleksije optičkog frekventnog domena (OFDR) koja koristi koherentnu tehnologiju detekcije za analizu signala raspršenih po Backrayleigh-u optičkih vlakana u frekventnom domenu, sa širokim pokrivanjem (hiljade metara). Prednosti visoke rezolucije (rezolucija na milimetarskom nivou) i visoke osjetljivosti (do -100 dBm) postale su jedna od tehnologija sa širokim potencijalom primjene u distribuiranoj tehnologiji mjerenja i detekcije optičkih vlakana. Suština OFDR tehnologije je korištenje podesivog izvora svjetlosti za postizanje podešavanja optičke frekvencije, tako da performanse laserskog izvora određuju ključne faktore kao što su domet detekcije OFDR-a, osjetljivost i rezolucija. Kada je udaljenost tačke refleksije blizu koherentne dužine, intenzitet signala otkucaja će biti eksponencijalno smanjen koeficijentom τ/τc. Za Gaussov izvor svjetlosti sa spektralnim oblikom, kako bi se osiguralo da frekvencija otkucaja ima vidljivost veću od 90%, odnos između širine linije izvora svjetlosti i maksimalne dužine detekcije koju sistem može postići je Lmax~0,04vg/f, što znači da je za vlakno dužine 80 km širina linije izvora svjetlosti manja od 100 Hz. Pored toga, razvoj drugih primjena također postavlja veće zahtjeve za širinu linije izvora svjetlosti. Na primjer, u sistemu optičkih vlakana s hidrofonom, širina linije izvora svjetlosti određuje šum sistema, a također određuje i minimalni mjerljivi signal sistema. U Brillouinovom optičkom reflektoru u vremenskom domenu (BOTDR), rezolucija mjerenja temperature i napona uglavnom je određena širinom linije izvora svjetlosti. Kod rezonatorskog optičkog žiroskopa, koherentna dužina svjetlosnog vala može se povećati smanjenjem širine linije izvora svjetlosti, čime se poboljšava finoća i dubina rezonancije rezonatora, smanjuje širina linije rezonatora i osigurava tačnost mjerenja optičkog žiroskopa.
1.2 Zahtjevi za laserske izvore sweep zračenja
Laser s jednom talasnom dužinom ima fleksibilne performanse podešavanja talasne dužine, može zamijeniti lasere s više izlaza fiksne talasne dužine, smanjiti troškove konstrukcije sistema i neizostavan je dio sistema za detekciju optičkih vlakana. Na primjer, kod detekcije tragova gasa putem vlakana, različite vrste gasova imaju različite vrhove apsorpcije gasa. Da bi se osigurala efikasnost apsorpcije svjetlosti kada je mjerni gas dovoljan i postigla veća osjetljivost mjerenja, potrebno je uskladiti talasnu dužinu izvora svjetlosti za prenos s vrhom apsorpcije molekule gasa. Vrsta gasa koja se može detektovati u suštini je određena talasnom dužinom izvora svjetlosti za detekciju. Stoga, laseri uske širine linije sa stabilnim performansama podešavanja širokopojasnog signala imaju veću fleksibilnost mjerenja u takvim sistemima za detekciju. Na primjer, u nekim distribuiranim sistemima za detekciju optičkih vlakana zasnovanim na refleksiji optičkog frekventnog domena, laser treba periodično brzo mijenjati da bi se postigla visokoprecizna koherentna detekcija i demodulacija optičkih signala, tako da brzina modulacije laserskog izvora ima relativno visoke zahtjeve, a brzina mijenjanja podesivog lasera obično mora dostići 10 pm/μs. Pored toga, laser uske širine linije s podesivom talasnom dužinom može se široko koristiti u liDAR-u, laserskom daljinskom istraživanju i spektralnoj analizi visoke rezolucije i drugim oblastima senzora. Kako bi se ispunili zahtjevi visokih parametara performansi podešavanja propusnog opsega, tačnosti podešavanja i brzine podešavanja lasera jedne talasne dužine u oblasti optičkih vlakana, opšti cilj proučavanja podesivih optičkih vlakana s uskom širinom u posljednjih nekoliko godina je postizanje visokopreciznog podešavanja u većem opsegu talasnih dužina na osnovu traženja ultra-uske širine laserske linije, ultra-niskog faznog šuma i ultra-stabilne izlazne frekvencije i snage.
1.3 Potražnja za izvorom bijele laserske svjetlosti
U oblasti optičkog senzora, visokokvalitetni bijeli laser je od velikog značaja za poboljšanje performansi sistema. Što je širi spektar pokrivenosti bijelog lasera, to je njegova primjena u optičkim sistemima senzora veća. Na primjer, kada se koristi vlaknasta Bragg-ova rešetka (FBG) za konstruisanje senzorske mreže, za demodulaciju se može koristiti spektralna analiza ili metoda usklađivanja podesivih filtera. Prva metoda koristi spektrometar za direktno testiranje svake rezonantne talasne dužine FBG-a u mreži. Druga metoda koristi referentni filter za praćenje i kalibraciju FBG-a u senzoru, a za oboje je potreban širokopojasni izvor svjetlosti kao testni izvor svjetlosti za FBG. Budući da će svaka FBG pristupna mreža imati određeni gubitak umetanja i ima propusni opseg veći od 0,1 nm, istovremena demodulacija više FBG-ova zahtijeva širokopojasni izvor svjetlosti velike snage i velike propusnosti. Na primjer, kada se za senzor koristi dugoperiodična vlaknasta rešetka (LPFG), budući da je propusni opseg jednog vrha gubitka reda veličine 10 nm, potreban je širokospektralni izvor svjetlosti sa dovoljnom propusnošću i relativno ravnim spektrom kako bi se precizno okarakterisale karakteristike njegovog rezonantnog vrha. Posebno, akustična vlaknasta rešetka (AIFG) konstruirana korištenjem akusto-optičkog efekta može postići raspon podešavanja rezonantne valne duljine do 1000 nm pomoću električnog podešavanja. Stoga, dinamičko testiranje rešetke s tako ultra širokim rasponom podešavanja predstavlja veliki izazov za raspon propusnog opsega širokospektralnog izvora svjetlosti. Slično tome, posljednjih godina, nagnuta Bragg-ova vlaknasta rešetka također se široko koristi u području detekcije vlakana. Zbog svojih karakteristika spektra gubitka s više vrhova, raspon distribucije valnih duljina obično može doseći 40 nm. Njen mehanizam detekcije obično je usporedba relativnog kretanja između višestrukih vrhova prijenosa, tako da je potrebno u potpunosti izmjeriti njegov spektar prijenosa. Potrebna je veća propusnost i snaga širokospektralnog izvora svjetlosti.
2. Status istraživanja u zemlji i inostranstvu
2.1 Izvor laserske svjetlosti uske širine linije
2.1.1 Poluprovodnički laser sa distribuiranom povratnom spregom i uskom širinom linije
Godine 2006, Cliche i saradnici su smanjili MHz skalu poluprovodnikaDFB laser(distribuirani laser sa povratnom spregom) na kHz skalu korištenjem metode električne povratne sprege; 2011. godine, Kessler i saradnici su koristili niskotemperaturnu i visoko stabilnu monokristalnu šupljinu u kombinaciji s aktivnom kontrolom povratne sprege kako bi dobili laserski izlaz ultra-uske širine linije od 40 MHz; 2013. godine, Peng i saradnici su dobili poluprovodnički laserski izlaz sa širinom linije od 15 kHz korištenjem metode vanjskog podešavanja povratne sprege Fabry-Perot (FP). Metoda električne povratne sprege uglavnom je koristila povratnu spregu za stabilizaciju frekvencije Pond-Drever-Hall kako bi se smanjila širina laserske linije izvora svjetlosti. 2010. godine, Bernhardi i saradnici su proizveli 1 cm erbijem dopiranog aluminijum oksida FBG na podlozi od silicijum oksida kako bi dobili laserski izlaz sa širinom linije od oko 1,7 kHz. Iste godine, Liang i saradnici... koristili su povratnu spregu samoinjektiranja povratnog Rayleighovog raspršenja formiranog rezonatorom visokog Q faktora odjeknućeg zida za kompresiju širine linije poluprovodničkog lasera, kao što je prikazano na slici 1, i konačno dobili laserski izlaz uske širine linije od 160 Hz.
Sl. 1 (a) Dijagram kompresije širine linije poluprovodničkog lasera zasnovane na samoinjektiranju Rayleighovog raspršenja vanjskog rezonatora moda šapućuće galerije;
(b) Frekvencijski spektar slobodnog poluprovodničkog lasera sa širinom linije od 8 MHz;
(c) Frekvencijski spektar lasera sa širinom linije komprimiranom na 160 Hz
2.1.2 Vlaknasti laser uske širine linije
Kod linearnih vlaknastih lasera, laserski izlaz uske širine linije jednog longitudinalnog moda dobija se skraćivanjem dužine rezonatora i povećanjem intervala longitudinalnog moda. Godine 2004., Spiegelberg i saradnici su dobili laserski izlaz uske širine linije jednog longitudinalnog moda sa širinom linije od 2 kHz koristeći DBR metodu kratke šupljine. Godine 2007., Shen i saradnici su koristili 2 cm jako dopirano erbijem silicijsko vlakno za snimanje FBG-a na fotosenzitivnom vlaknu ko-dopiranom Bi-Ge i spojili ga s aktivnim vlaknom kako bi formirali kompaktnu linearnu šupljinu, čineći širinu laserske izlazne linije manjom od 1 kHz. Godine 2010., Yang i saradnici su koristili 2 cm jako dopiranu kratku linearnu šupljinu u kombinaciji s uskopojasnim FBG filterom kako bi dobili laserski izlaz jednog longitudinalnog moda sa širinom linije manjom od 2 kHz. Godine 2014., tim je koristio kratku linearnu šupljinu (virtualni presavijeni prstenasti rezonator) u kombinaciji s FBG-FP filterom kako bi dobio laserski izlaz s užom širinom linije, kao što je prikazano na Slici 3. Godine 2012., Cai i saradnici su koristili strukturu kratke šupljine od 1,4 cm kako bi dobili polarizirajući laserski izlaz s izlaznom snagom većom od 114 mW, centralnom valnom dužinom od 1540,3 nm i širinom linije od 4,1 kHz. Godine 2013., Meng i saradnici su koristili Brillouinovo raspršenje vlakna dopiranog erbijem s kratkom prstenastom šupljinom uređaja s očuvanjem pune pristranosti kako bi dobili laserski izlaz s jednim longitudinalnim modom i niskim faznim šumom s izlaznom snagom od 10 mW. Godine 2015., tim je koristio prstenastu šupljinu sastavljenu od vlakna dopiranog erbijem od 45 cm kao medij za pojačanje Brillouinovog raspršenja kako bi dobio laserski izlaz s niskim pragom i uskom širinom linije.
Sl. 2 (a) Shematski prikaz SLC vlaknastog lasera;
(b) Oblik linije heterodinskog signala mjerenog sa zakašnjenjem vlakna od 97,6 km
Vrijeme objave: 20. novembar 2023.