Tehnologija laserskog izvora zaoptičko vlaknoosjetivši prvi dio
Tehnologija senzora optičkih vlakana je vrsta senzorske tehnologije koja je razvijena zajedno s tehnologijom optičkih vlakana i komunikacijskom tehnologijom optičkih vlakana, te je postala jedna od najaktivnijih grana fotoelektrične tehnologije.Senzorni sistem optičkih vlakana uglavnom se sastoji od lasera, transmisionih vlakana, senzorskog elementa ili modulacijske oblasti, detekcije svjetlosti i drugih dijelova.Parametri koji opisuju karakteristike svetlosnog talasa uključuju intenzitet, talasnu dužinu, fazu, stanje polarizacije, itd. Ovi parametri mogu biti promenjeni spoljnim uticajima u prenosu optičkih vlakana.Na primjer, kada temperatura, deformacija, pritisak, struja, pomak, vibracije, rotacija, savijanje i hemijska količina utiču na optički put, ovi parametri se mijenjaju na odgovarajući način.Senzor optičkih vlakana zasniva se na odnosu između ovih parametara i vanjskih faktora kako bi se otkrile odgovarajuće fizičke veličine.
Postoji mnogo vrstalaserski izvorkoristi se u sistemima senzora optičkih vlakana, koji se mogu podijeliti u dvije kategorije: koherentnilaserski izvorii nekoherentni izvori svjetlosti, nekoherentniizvori svjetlostiuglavnom uključuju žarulje i diode koje emituju svjetlost, a koherentni izvori svjetlosti uključuju čvrste lasere, tečne lasere, plinske lasere,poluprovodnički laserifiber laser.Sljedeće je uglavnom zalaserski izvor svjetlostikoji se posljednjih godina široko koristi u području senzora vlakana: jednofrekventni laser uske širine linije, laser s jednom talasnom dužinom i bijeli laser.
1.1 Zahtjevi za usku širinu linijelaserski izvori svjetlosti
Senzorni sistem optičkih vlakana ne može se odvojiti od laserskog izvora, jer izmjereni svjetlosni val nosioca signala, performanse samog izvora laserske svjetlosti, kao što su stabilnost snage, širina laserske linije, fazni šum i drugi parametri na udaljenosti detekcije sistema optičkih vlakana, detekcija tačnost, osjetljivost i karakteristike buke igraju odlučujuću ulogu.Posljednjih godina, s razvojem sistema optičkih vlakana ultra visoke rezolucije na daljinu, akademska zajednica i industrija su postavili strože zahtjeve za performanse laserske minijaturizacije u širini linije, uglavnom u: tehnologiji refleksije u optičkom frekvencijskom domenu (OFDR) koja koristi koherentnu tehnologija detekcije za analizu backrayleigh raspršenih signala optičkih vlakana u frekvencijskom domenu, sa širokim pokrivanjem (hiljade metara).Prednosti visoke rezolucije (rezolucija na nivou milimetra) i visoke osjetljivosti (do -100 dBm) postale su jedna od tehnologija sa širokim mogućnostima primjene u tehnologiji mjerenja i senzora distribuiranih optičkih vlakana.Srž OFDR tehnologije je korištenje podesivog izvora svjetlosti za postizanje optičkog podešavanja frekvencije, tako da performanse laserskog izvora određuju ključne faktore kao što su opseg detekcije OFDR, osjetljivost i rezolucija.Kada je udaljenost tačke refleksije blizu dužine koherencije, intenzitet signala otkucaja će biti eksponencijalno oslabljen koeficijentom τ/τc.Za Gausov izvor svjetlosti sa spektralnim oblikom, kako bi se osiguralo da frekvencija otkucaja ima više od 90% vidljivosti, odnos između širine linije izvora svjetlosti i maksimalne dužine senzora 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.Osim toga, razvoj drugih aplikacija također postavlja veće zahtjeve za širinu linije izvora svjetlosti.Na primjer, u sistemu hidrofona sa optičkim vlaknima, širina izvora svjetlosti određuje šum sistema i također određuje minimalni mjerljivi signal sistema.U Brillouin optičkom vremenskom reflektoru (BOTDR), rezolucija mjerenja temperature i naprezanja uglavnom je određena širinom linije izvora svjetlosti.U rezonatorskom žiroskopu sa optičkim vlaknima, dužina koherentnosti svjetlosnog vala može se povećati smanjenjem širine linije izvora svjetlosti, čime se poboljšava finoća i dubina rezonancije rezonatora, smanjuje se širina linije rezonatora i osigurava mjerenje tačnost žiroskopa sa optičkim vlaknima.
1.2 Zahtjevi za laserske izvore s pomeranjem
Laser sa jednom talasnom dužinom ima fleksibilne performanse podešavanja talasne dužine, može da zameni višestruke izlazne lasere fiksne talasne dužine, smanjuje troškove izgradnje sistema, nezaobilazan je deo senzorskog sistema optičkih vlakana.Na primjer, u tragovima plinskih vlakana, različite vrste plinova imaju različite vrhove apsorpcije plina.Da bi se osigurala efikasnost apsorpcije svjetlosti kada je mjerni plin dovoljan i postigla veća osjetljivost mjerenja, potrebno je uskladiti talasnu dužinu izvora svjetlosti za prijenos sa apsorpcijskim vrhom molekula plina.Tip gasa koji se može detektovati u suštini je određen talasnom dužinom senzorskog izvora svetlosti.Stoga, laseri uske širine linije sa stabilnim performansama širokopojasnog podešavanja imaju veću fleksibilnost mjerenja u takvim sistemima senzora.Na primjer, u nekim distribuiranim optičkim senzorskim sistemima baziranim na refleksiji optičkog frekventnog domena, laser treba brzo i periodično pomicati kako bi se postigla koherentna detekcija visoke preciznosti i demodulacija optičkih signala, tako da brzina modulacije laserskog izvora ima relativno visoke zahtjeve. , a brzina pomeranja podesivog lasera obično je potrebna da dostigne 10 pm/μs.Pored toga, laser uske linije podesiv za talasnu dužinu takođe se može široko koristiti u liDAR-u, laserskoj daljinskoj detekciji i spektralnoj analizi visoke rezolucije i drugim poljima senzora.Da bi se zadovoljili zahtjevi parametara visokih performansi podešavanja propusnog opsega, tačnosti podešavanja i brzine podešavanja jednovalnih lasera u području sensinga vlaknima, opći cilj proučavanja podesivih lasera s vlaknima uske širine posljednjih godina je postizanje visoke precizno podešavanje u većem opsegu talasnih dužina na osnovu praćenja ultra uske laserske širine, ultra-niskog faznog šuma i ultra stabilne izlazne frekvencije i snage.
1.3 Potražnja za izvorom bijelog laserskog svjetla
U području optičkog senzora, visokokvalitetni laser bijele svjetlosti je od velikog značaja za poboljšanje performansi sistema.Što je šira pokrivenost spektra lasera bele svetlosti, to je veća njegova primena u sistemu senzora optičkih vlakana.Na primjer, kada se koristi vlaknasta Braggova rešetka (FBG) za konstrukciju senzorske mreže, spektralna analiza ili metoda podesivog uparivanja filtera može se koristiti za demodulaciju.Prvi je koristio spektrometar da direktno testira svaku FBG rezonantnu talasnu dužinu u mreži.Potonji koristi referentni filter za praćenje i kalibraciju FBG-a u sensingu, a oba zahtijevaju širokopojasni izvor svjetlosti kao testni izvor svjetlosti za FBG.Budući da će svaka FBG pristupna mreža imati određeni gubitak umetanja i ima širinu pojasa veću od 0,1 nm, istovremena demodulacija više FBG zahtijeva širokopojasni izvor svjetlosti velike snage i velike propusnosti.Na primjer, kada se koristi dugoperiodična vlaknasta rešetka (LPFG) za sensing, budući da je širina pojasa jednog pika gubitka reda reda 10 nm, potreban je izvor svjetlosti širokog spektra sa dovoljnom širinom pojasa i relativno ravnim spektrom da bi se precizno karakterizirao njegov rezonantni vršne karakteristike.Konkretno, rešetka akustičnih vlakana (AIFG) konstruisana korišćenjem akusto-optičkog efekta može postići opseg podešavanja rezonantne talasne dužine do 1000 nm pomoću električnog podešavanja.Stoga, testiranje dinamičkih rešetki sa tako ultraširokim rasponom podešavanja predstavlja veliki izazov za raspon širine pojasa širokog spektra izvora svjetlosti.Slično tome, posljednjih godina, nagnuta Braggova vlaknasta rešetka također se široko koristi u području senzora vlakana.Zbog karakteristika spektra gubitaka sa više vrhova, raspon distribucije talasnih dužina obično može doseći 40 nm.Njegov senzorski mehanizam je obično da uporedi relativno kretanje između višestrukih vrhova prenosa, tako da je neophodno u potpunosti izmeriti njegov spektar prenosa.Potrebno je da širina pojasa i snaga izvora svjetlosti širokog spektra budu veći.
2. Status istraživanja u zemlji i inostranstvu
2.1 Laserski izvor svjetla uske linije
2.1.1 Poluprovodnički laser sa distribucijom uske linije
2006. Cliche et al.smanjio MHz skalu poluprovodnikaDFB laser(distribuirani laser povratne sprege) do kHz skale korištenjem metode električne povratne sprege;U 2011, Kessler et al.koristila monokristalnu šupljinu niske temperature i visoke stabilnosti u kombinaciji sa aktivnom povratnom kontrolom da bi se dobio laserski izlaz ultra uske linije od 40 MHz;Peng i ostali su 2013. godine dobili poluprovodnički laserski izlaz sa širinom linije od 15 kHz koristeći metodu eksternog Fabry-Perotovog (FP) podešavanja povratne sprege.Metoda električne povratne sprege uglavnom je koristila povratnu vezu stabilizacije frekvencije Pond-Drever-Hall kako bi se smanjila širina laserske linije izvora svjetlosti.Godine 2010. Bernhardi et al.proizveo 1 cm glinice dopiranog erbijem FBG na podlozi od silicijum oksida da bi se dobio laserski izlaz sa širinom linije od oko 1,7 kHz.Iste godine, Liang et al.koristio povratnu informaciju o samoinjektiranju Rayleighovog raspršenja unatrag formiranog od zidnog rezonatora visoke Q eho za kompresiju širine linije poluvodiča lasera, kao što je prikazano na slici 1, i konačno dobio laserski izlaz uske širine linije od 160 Hz.
Slika 1 (a) Dijagram kompresije širine linije poluprovodničkog lasera zasnovanog na samoinjektnom Rayleighovom rasejanju eksternog rezonatora šaptajuće galerije;
(b) Frekvencijski spektar slobodnog poluprovodničkog lasera sa širinom linije od 8 MHz;
(c) Frekvencijski spektar lasera sa širinom linije kompresovane na 160 Hz
2.1.2 Laser s vlaknima uske širine linije
Za lasere s vlaknima s linearnom šupljinom, laserski izlaz uske širine jednostrukog uzdužnog moda postiže se skraćivanjem dužine rezonatora i povećanjem intervala longitudinalnih modova.2004. Spiegelberg et al.dobio je jedan uzdužni mod laserski izlaz uske širine linije sa širinom linije od 2 kHz korištenjem DBR metode kratke šupljine.Godine 2007. Shen et al.koristio je silikonsko vlakno od 2 cm jako dopirano erbijem za pisanje FBG-a na fotoosetljivo vlakno dopirano Bi-Ge i spojio ga sa aktivnim vlaknom da formira kompaktnu linearnu šupljinu, čineći širinu izlazne linije lasera manjom od 1 kHz.Godine 2010. Yang et al.koristio je 2cm visoko dopiranu kratku linearnu šupljinu u kombinaciji sa uskopojasnim FBG filterom za dobijanje jednog laserskog izlaza uzdužnog moda sa širinom linije manjom od 2 kHz.U 2014. godini, tim je koristio kratku linearnu šupljinu (virtuelni savijeni prstenasti rezonator) u kombinaciji sa FBG-FP filterom da bi dobio laserski izlaz sa užom širinom linije, kao što je prikazano na slici 3. 2012. godine, Cai et al.koristio je strukturu kratke šupljine od 1,4 cm da dobije polarizacioni laserski izlaz sa izlaznom snagom većom od 114 mW, centralnom talasnom dužinom od 1540,3 nm i širinom linije od 4,1 kHz.U 2013. godini, Meng et al.koristio je Brillouinovo raspršivanje vlakana dopiranog erbijem sa kratkom prstenastom šupljinom uređaja za očuvanje punog prednapona da bi se dobio laserski izlaz niske faze šuma u jednom uzdužnom modu sa izlaznom snagom od 10 mW.U 2015. godini, tim je koristio prstenastu šupljinu sastavljenu od 45 cm dopiranog erbijem vlakna kao medij za pojačanje Brillouin rasejanja kako bi se dobio laserski izlaz niskog praga i uske širine linije.
Slika 2 (a) Šematski crtež SLC fiber lasera;
(b) Oblik linije heterodinskog signala izmjeren sa kašnjenjem vlakana od 97,6 km
Vrijeme objave: 20.11.2023