Технологія лазерного джерела дляоптичне волокноЧастина перша частина
Технологія зондування оптичного волокна - це своєрідна технологія зондування, розроблена разом з технологіями оптичних волокон та технологіями оптичної волоконної комунікації, і вона стала однією з найактивніших галузей фотоелектричних технологій. Система зондування оптичного волокна в основному складається з лазера, волокна передачі, зондування елемента або області модуляції, виявлення світла та інших частин. Параметри, що описують характеристики світлої хвилі, включають інтенсивність, довжину хвилі, фазу, стан поляризації тощо. Ці параметри можуть бути змінені за допомогою зовнішніх впливів при передачі оптичних волокон. Наприклад, коли температура, деформація, тиск, струм, переміщення, вібрація, обертання, згинання та хімічна кількість впливають на оптичний шлях, ці параметри змінюються відповідно. Оптичне зондування волокон ґрунтується на залежності між цими параметрами та зовнішніми факторами для виявлення відповідних фізичних величин.
Існує багато типівЛазерне джереловикористовується в системах оптичного волокна, які можна розділити на дві категорії: узгодженіЛазерні джерелаі невідповідні джерела світла, невідповідніСвітло джерелаВ основному включають діоди розжарювання та світлодіоди, а також узгоджені джерела світла включають тверді лазери, рідкі лазери, газові лазери,напівпровідниковий лазеріволоконно -лазер. Далі наведено в основному дляЛазерне джерело світлаВ останні роки широко використовується в галузі зондування волокон: вузька ширина одночастотна лазерна, однохвильова частота розгортання та білий лазер.
1.1 Вимоги до вузької ширини лініїЛазерні джерела світла
Система зондування оптичних волокон не може бути відокремлена від джерела лазера, як вимірювана світлова хвиля носія сигналу, сама продуктивність джерела лазерного світла, такі як стійкість потужності, лазерна ширина лінійки, фазовий шум та інші параметри на відстані виявлення оптичних волокон, точність виявлення, чутливість та шумозаглушені характеристики. In recent years, with the development of long-distance ultra-high resolution optical fiber sensing systems, academia and industry have put forward more stringent requirements for the linewidth performance of laser miniaturization, mainly in: optical frequency domain reflection (OFDR) technology uses coherent detection technology to analyze the backrayleigh scattered signals of optical fibers in the frequency domain, with a wide coverage (thousands of метри). Переваги високої роздільної здатності (міліметрова роздільна здатність) та висока чутливість (до -100 дБм) стали однією з технологій з широкими перспективами застосування в розподіленій технології вимірювання та зондування оптичних волокон. Ядром технології OFDR є використання налаштованого джерела світла для досягнення оптичної настройки частоти, тому продуктивність джерела лазера визначає ключові фактори, такі як діапазон виявлення OFDR, чутливість та роздільна здатність. Коли відстань точки відображення буде близькою до довжини когерентності, інтенсивність сигналу ритму буде експоненціально ослаблена коефіцієнтом τ/τc. Для гауссового джерела світла з спектральною формою, щоб переконатися, що частота ритму має понад 90% видимість, залежність між шириною лінії джерела світла та максимальною довжиною зондування, яку може досягти, є LMAX ~ 0,04vg/F, а це означає, що для волокна з довжиною 80 км, ширини лінії світла менше 100 год. Крім того, розробка інших додатків також висуває більш високі вимоги до ширини ліній джерела світла. Наприклад, в гідрофонній системі оптичного волокна лінійна ширина джерела світла визначає шум системи, а також визначає мінімально вимірюваний сигнал системи. У відбивачі оптичного домену Brillouin (BOTDR) вимірювальна роздільна здатність температури та напруги в основному визначається лінійною шириною джерела світла. У резонатору волоконно -оптичному гіроскоп, довжину когерентності світлої хвилі можна збільшити за рахунок зменшення ширини лінії джерела світла, тим самим покращуючи тонкість та резонансну глибину резонатора, зменшуючи ширину лінії резонатора та забезпечуючи вимірювальну точність волоконно -оптичного гіро.
1.2 Вимоги до джерел лазера
Лазер з одномісною довжиною хвилі має гнучку продуктивність настройки довжини хвилі, може замінити декілька лазерів з фіксованою вихідною довжиною хвилі, зменшити вартість побудови системи, є незамінною частиною системи зондування оптичних волокон. Наприклад, у зондуванні газових волокон, різні види газів мають різні піки поглинання газу. Для того, щоб забезпечити ефективність поглинання світла, коли вимірювальний газ є достатньою та досягнення більшої чутливості до вимірювання, необхідно вирівняти довжину хвилі джерела передачі з піком поглинання молекули газу. Тип газу, який можна виявити, по суті визначається довжиною хвилі джерела світла. Тому вузькі лазери ширини лінії зі стабільними показниками широкосмугової настройки мають більш високу гнучкість вимірювання в таких системах зондування. Наприклад, у деяких розподілених системах зондування оптичних волокон, заснованих на відбитті оптичної частотної області, лазер повинен швидко періодично переміщатися для досягнення високоточного когерентного виявлення та демодуляції оптичних сигналів, тому швидкість модуляції лазерного джерела має відносно високі вимоги, а швидкість регульованого лазера зазвичай вимагає 10 PM/0. Крім того, обґрунтована вузька ширина довжини хвилі також може бути широко застосовуватися в LIDAR, лазерному дистанційному зондуванні та спектральному аналізі високої роздільної здатності та інших полях зондування. 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-stable output частота та потужність.
1.3 Попит на джерело білого лазерного світла
У галузі оптичного зондування високоякісний лазер білого світла має велике значення для підвищення продуктивності системи. Чим ширше покриття спектру білого світла лазера, тим більш широке його застосування в оптичній системі зондування волокон. Наприклад, при використанні волоконної решітки (FBG) для побудови сенсорної мережі може бути використаний спектральний аналіз або регульований метод відповідності фільтра. Перший використовував спектрометр, щоб безпосередньо перевірити кожну резонансну довжину хвилі FBG у мережі. Останній використовує опорний фільтр для відстеження та калібрування FBG у зондуванні, обидва з яких потребують широкосмугового джерела світла як джерела випробувального світла для FBG. Оскільки кожна мережа доступу до FBG матиме певну втрату вставки та має пропускну здатність понад 0,1 нм, одночасна демодуляція декількох FBG вимагає широкосмугового джерела світла з високою потужністю та високою пропускною здатністю. Наприклад, при використанні тривалої решітки волокна (LPFG) для зондування, оскільки пропускна здатність одного піку втрат знаходиться в порядку 10 нм, для точно характеристики його резонансних пікових характеристик необхідне широке джерело світла з достатньою пропускною здатністю та відносно плоским спектром. Зокрема, акустична решітка волокна (AIFG), побудована за допомогою акустоптичного ефекту, може досягти діапазону настройки резонансної довжини хвилі до 1000 нм за допомогою електричної настройки. Тому динамічне тестування на решітці з таким ультра широким діапазоном настройки є великим викликом для діапазону пропускної здатності широкого спектруму джерела світла. Аналогічно, в останні роки нахилена решітка волокна Брегга також широко використовувалася в полі зондування волокон. Завдяки своїм багатодоловим характеристикам спектру втрат, діапазон розподілу довжин хвиль зазвичай може досягати 40 нм. Його механізм зондування, як правило, полягає в порівнянні відносного руху між множинними піками передачі, тому необхідно повністю вимірювати його спектр передачі. Пропускна здатність та потужність широкого джерела світла спектру повинні бути вищими.
2. Статус досліджень вдома та за кордоном
2.1 Вузьке джерело лазерного світла лінії
2.1.1 Вузький напівпровідник, розподілений лазер зворотного зв'язку
У 2006 році Cliche et al. зменшив шкалу MHZ напівпровідникаDFB лазер(розподілений зворотний зв'язок лазер) до шкали КГц за допомогою методу електричного зворотного зв’язку; У 2011 році Kessler et al. Використовується низька температура та монокристалічна порожнина високої стійкості в поєднанні з активним контролем зворотного зв'язку для отримання лазерного випуску ультрасовідної ширини 40 МГц; У 2013 році Пенг та ін отримали напівпровідниковий лазерний вихід із шириною лінійки 15 кГц, використовуючи метод зовнішнього регулювання зворотного зв'язку Fabry-Perot (FP). Метод електричного зворотного зв'язку в основному використовував зворотний зв'язок із частотою ставок-розмивання, щоб зробити лазерну ширину лінійки джерела світла. У 2010 році Bernhardi та ін. виробляв 1 см, легований ербієм ALUMINA FBG на субстраті оксиду кремнію для отримання лазерного виходу з шириною лінії близько 1,7 кГц. Того ж року Лянг та ін. Використовує зворотний зв'язок відсталого розсіювання Релея, утвореного резонатором стінки з ехо-Q для напівпровідникового стиснення лазерної ширини, як показано на малюнку 1, і, нарешті, отримав вузький лазерний вихід ширини лінії 160 Гц.
Рис. 1 (a) Діаграма напівпровідникової лазерної ширини стиснення на основі розсіювання самодоповнення Rayleigh зовнішнього резонатора режиму галереї шепоту;
(b) частотний спектр лазерного напівпровідника вільного бігу з шириною лінії 8 МГц;
(c) Спектр частоти лазера з шириною лінійки стиснутий до 160 Гц
2.1.2 Вузький лазер волокна
Для лазерів з волокнистими порожнинами вузький лазерний вихідний лазерний вихід одного поздовжнього режиму отримується шляхом скорочення довжини резонатора та збільшенням інтервалу поздовжнього режиму. У 2004 році Spiegelberg та ін. Отримав єдиний лазерний вихід вузький проміжок лінійної ширини лінійкою з шириною лінійки 2 кГц за допомогою методу короткої порожнини DBR. У 2007 році Shen et al. Для запису FBG на бі-ге-допрованому фоточутному волокні використовували 2-см, що сильно лежав кремнієвим волокном, і злив його з активною волокном, утворюючи компактну лінійну порожнину, що робить його лазерну вихідну ширину менше 1 кГц. У 2010 році Ян та ін. Використовується 2 -сантиметрова висококваліфікована коротка лінійна порожнина в поєднанні з вузькосмуговим фільтром FBG для отримання єдиного лазерного виходу з поздовжнім режимом з шириною лінії менше 2 кГц. У 2014 році команда використовувала коротку лінійну порожнину (віртуальний складений кільцевий резонатор) у поєднанні з фільтром FBG-FP для отримання лазерного виходу з вузькою шириною лінії, як показано на малюнку 3. У 2012 році Cai et al. Використовується структура короткої порожнини 1,4 см для отримання поляризуючого лазерного виходу з вихідною потужністю, що перевищує 114 МВт, центральна довжина хвилі 1540,3 нм та ширина лінії 4,1 кГц. У 2013 році Meng та ін. Використовуване розсіювання брилуїну волокна, легованого ERBIUM з короткою кільцевою порожниною пристрою, що зберігає повне зміщення, для отримання одноразового режиму, низькофазного шуму лазера з вихідною потужністю 10 МВт. У 2015 році команда використовувала кільцеву порожнину, що складається з 45-см, легованого ERBIUM, як силового посилення Brillouin, для отримання низького порогового та вузького лазерного виходу.
Рис. 2 (а) Схематичний малюнок лазера волокон SLC;
(b) Лінеп гетеродинного сигналу, виміряний із затримкою волокна 97,6 км
Час посади: листопад-20-2023 рр.