Технологія лазерного джерела дляоптичне волокноЗондування. Частина перша
Технологія волоконно-оптичного зондування – це вид сенсорної технології, розроблений разом з волоконно-оптичною технологією та технологією волоконно-оптичного зв'язку, і він став однією з найактивніших галузей фотоелектричної технології. Система волоконно-оптичного зондування в основному складається з лазера, передавального волокна, чутливого елемента або області модуляції, детектора світла та інших компонентів. Параметри, що описують характеристики світлової хвилі, включають інтенсивність, довжину хвилі, фазу, стан поляризації тощо. Ці параметри можуть змінюватися під впливом зовнішніх впливів під час передачі оптичного волокна. Наприклад, коли температура, деформація, тиск, струм, зміщення, вібрація, обертання, вигин та хімічні речовини впливають на оптичний шлях, ці параметри змінюються відповідно. Волоконно-оптичне зондування базується на взаємозв'язку між цими параметрами та зовнішніми факторами для виявлення відповідних фізичних величин.
Існує багато видівлазерне джереловикористовуються в системах оптичного сенсорування, які можна розділити на дві категорії: когерентнілазерні джерелата некогерентні джерела світла, некогерентніджерела світлав основному включають лампи розжарювання та світлодіоди, а когерентні джерела світла включають твердотільні лазери, рідинні лазери, газові лазери,напівпровідниковий лазеріволоконний лазерНаступне стосується головним чиномджерело лазерного світлаШироко використовувані в галузі волоконного зондування в останні роки: одночастотний лазер з вузькою шириною лінії, лазер з однохвильовою частотою розгортки та білий лазер.
1.1 Вимоги до вузької ширини лініїджерела лазерного світла
Систему оптичного зондування не можна відокремити від лазерного джерела, оскільки виміряна хвиля носія сигналу, саме лазерне джерело світла, характеристики самого лазерного джерела світла, такі як стабільність потужності, ширина лазерної лінії, фазовий шум та інші параметри, що впливають на дальність виявлення, точність виявлення, чутливість та шумові характеристики системи оптичного зондування, відіграють вирішальну роль. В останні роки, з розвитком систем оптичного зондування з надвисокою роздільною здатністю на великі відстані, наукові кола та промисловість висунули суворіші вимоги до продуктивності ширини лінії лазерної мініатюризації, головним чином у: технології оптичного відбиття в частотній області (OFDR) використовує технологію когерентного детектування для аналізу сигналів зворотного розсіювання оптичних волокон у частотній області з широким охопленням (тисячі метрів). Переваги високої роздільної здатності (міліметрової роздільної здатності) та високої чутливості (до -100 дБм) стали одними з технологій з широкими перспективами застосування в розподілених технології вимірювання та зондування оптичних волокон. Основою технології OFDR є використання настроюваного джерела світла для досягнення оптичного налаштування частоти, тому характеристики лазерного джерела визначають ключові фактори, такі як дальність виявлення, чутливість та роздільна здатність OFDR. Коли відстань точки відбиття близька до довжини когерентності, інтенсивність сигналу биття буде експоненціально ослаблена на коефіцієнт τ/τc. Для гауссового джерела світла зі спектральною формою, щоб забезпечити видимість частоти биття понад 90%, співвідношення між шириною лінії джерела світла та максимальною довжиною зондування, яку може досягти система, становить Lmax~0,04vg/f, що означає, що для волокна довжиною 80 км ширина лінії джерела світла менше 100 Гц. Крім того, розвиток інших застосувань також висуває вищі вимоги до ширини лінії джерела світла. Наприклад, у волоконно-оптичній гідрофонній системі ширина лінії джерела світла визначає шум системи, а також визначає мінімальний вимірюваний сигнал системи. У оптичному відбивачі Бріллюена в часовій області (BOTDR) роздільна здатність вимірювання температури та напруження головним чином визначається шириною лінії джерела світла. У резонаторному волоконно-оптичному гіроскопі довжину когерентності світлової хвилі можна збільшити, зменшивши ширину лінії джерела світла, тим самим покращуючи тонкість та глибину резонансу резонатора, зменшуючи ширину лінії резонатора та забезпечуючи точність вимірювання волоконно-оптичного гіроскопа.
1.2 Вимоги до джерел лазерного випромінювання з розгортуванням
Однохвильовий лазер з фіксованою довжиною хвилі має гнучку продуктивність налаштування довжини хвилі, може замінити лазери з фіксованою довжиною хвилі з кількома вихідними сигналами, знизити вартість побудови системи та є невід'ємною частиною волоконно-оптичної сенсорної системи. Наприклад, при волоконно-оптичному зондуванні слідів газу різні види газів мають різні піки поглинання. Щоб забезпечити ефективність поглинання світла, коли вимірювального газу достатньо, та досягти вищої чутливості вимірювання, необхідно вирівняти довжину хвилі пропускаючого джерела світла з піком поглинання молекули газу. Тип газу, який можна виявити, по суті визначається довжиною хвилі сенсорного джерела світла. Тому вузькосмугові лазери зі стабільною широкосмуговою продуктивністю налаштування мають вищу гнучкість вимірювання в таких сенсорних системах. Наприклад, у деяких розподілених волоконно-оптичних сенсорних системах, заснованих на відбитті в оптичній частотній області, лазер потребує швидкої періодичної смугової зміни для досягнення високоточної когерентної демодуляції оптичних сигналів, тому швидкість модуляції лазерного джерела має відносно високі вимоги, а швидкість смугової зміни регульованого лазера зазвичай повинна досягати 10 пм/мкс. Крім того, лазер з вузькою шириною лінії та настроюваною довжиною хвилі також може широко використовуватися в лідарі, лазерному дистанційному зондуванні, спектральному аналізі високої роздільної здатності та інших галузях зондування. Щоб задовольнити вимоги до високих параметрів продуктивності налаштування смуги пропускання, точності налаштування та швидкості налаштування лазерів з однією довжиною хвилі в галузі волоконного зондування, загальною метою дослідження настроюваних волоконних лазерів з вузькою шириною хвилі в останні роки є досягнення високоточної настройки в ширшому діапазоні довжин хвиль на основі прагнення до надвузької ширини лазерної лінії, наднизького фазового шуму та надстабільної вихідної частоти та потужності.
1.3 Попит на джерело білого лазерного світла
В галузі оптичного зондування високоякісний лазер білого світла має велике значення для покращення продуктивності системи. Чим ширше охоплення спектру лазера білого світла, тим ширше його застосування в системі оптичного зондування. Наприклад, при використанні волоконної брэгівської решітки (ВБГ) для побудови сенсорної мережі, для демодуляції можна використовувати спектральний аналіз або метод узгодження настроюваних фільтрів. У першому випадку використовується спектрометр для безпосереднього тестування кожної резонансної довжини хвилі ВБГ у мережі. У другому використовується опорний фільтр для відстеження та калібрування ВБГ під час зондування, і обидва ці методи вимагають широкосмугового джерела світла як тестового джерела світла для ВБГ. Оскільки кожна мережа доступу ВБГ матиме певні вставні втрати та має смугу пропускання більше 0,1 нм, одночасна демодуляція кількох ВБГ вимагає широкосмугового джерела світла з високою потужністю та високою смугою пропускання. Наприклад, при використанні довгоперіодної волоконної решітки (ДПВГ) для зондування, оскільки смуга пропускання одного піку втрат становить близько 10 нм, для точної характеристики його резонансних пікових характеристик потрібне джерело світла широкого спектру з достатньою смугою пропускання та відносно плоским спектром. Зокрема, акустична волоконна решітка (AIFG), побудована з використанням акустооптичного ефекту, може досягти діапазону налаштування резонансної довжини хвилі до 1000 нм за допомогою електричного налаштування. Тому динамічне тестування решітки з таким надшироким діапазоном налаштування створює великі труднощі для діапазону смуги пропускання широкоспектрального джерела світла. Аналогічно, в останні роки похилена брэгівська волоконна решітка також широко використовується в галузі волоконних датчиків. Завдяки своїм багатопіковим характеристикам спектру втрат, діапазон розподілу довжин хвиль зазвичай може досягати 40 нм. Її механізм датчика зазвичай полягає в порівнянні відносного руху між кількома піками пропускання, тому необхідно повністю виміряти її спектр пропускання. Потрібно, щоб смуга пропускання та потужність широкоспектрального джерела світла були вищими.
2. Стан досліджень в країні та за кордоном
2.1 Джерело лазерного світла з вузькою шириною лінії
2.1.1 Вузькосмуговий напівпровідниковий лазер із розподіленим зворотним зв'язком
У 2006 році Кліше та ін. зменшили шкалу MHz для напівпровідниківDFB-лазер(лазер із розподіленим зворотним зв'язком) до масштабу кГц за допомогою методу електричного зворотного зв'язку; У 2011 році Кесслер та ін. використали низькотемпературний та високостабільний резонатор монокристала в поєднанні з активним керуванням зворотним зв'язком для отримання лазерного випромінювання з надвузькою шириною лінії 40 МГц; У 2013 році Пен та ін. отримали напівпровідниковий лазерний випромінювання з шириною лінії 15 кГц, використовуючи метод зовнішнього регулювання зворотного зв'язку Фабрі-Перо (FP). Метод електричного зворотного зв'язку в основному використовував зворотний зв'язок зі стабілізацією частоти Понда-Древера-Холла для зменшення ширини лазерної лінії джерела світла. У 2010 році Бернхарді та ін. виготовили 1 см легованої ербієм оксидної брускової бригади на підкладці з оксиду кремнію, щоб отримати лазерний випромінювання з шириною лінії близько 1,7 кГц. У тому ж році Лян та ін. використали зворотний зв'язок самоінжекції зворотного розсіювання Релея, сформованого високодобротним резонатором ехо-стіни для стиснення ширини лінії напівпровідникового лазера, як показано на рисунку 1, і нарешті отримали лазерний вихід з вузькою шириною лінії 160 Гц.
Рис. 1 (а) Діаграма стиснення ширини лінії напівпровідникового лазера на основі самоінжекційного розсіювання Релея зовнішнього резонатора моди шепочучої галереї;
(b) Частотний спектр вільнопрацюючого напівпровідникового лазера з шириною лінії 8 МГц;
(c) Частотний спектр лазера зі стиснутою до 160 Гц шириною лінії
2.1.2 Вузькосмуговий волоконний лазер
Для волоконних лазерів з лінійним резонатором вузькосмуговий лазерний вихід однієї поздовжньої моди отримується шляхом скорочення довжини резонатора та збільшення інтервалу поздовжньої моди. У 2004 році Шпігельберг та ін. отримали вузькосмуговий лазерний вихід однієї поздовжньої моди з шириною лінії 2 кГц, використовуючи метод короткого резонатора DBR. У 2007 році Шень та ін. використали 2-сантиметрове сильно леговане ербієм кремнієве волокно для запису ФБГ на фоточутливому волокні, спільно легованому Bi-Ge, та об'єднали його з активним волокном для утворення компактного лінійного резонатора, зробивши ширину його лазерної вихідної лінії менше 1 кГц. У 2010 році Ян та ін. використали 2-сантиметровий сильно легований короткий лінійний резонатор у поєднанні з вузькосмуговим фільтром ФБГ, щоб отримати вихідний лазер однієї поздовжньої моди з шириною лінії менше 2 кГц. У 2014 році команда використала короткий лінійний резонатор (віртуальний складений кільцевий резонатор) у поєднанні з фільтром FBG-FP для отримання лазерного випромінювання з вужчою шириною лінії, як показано на рисунку 3. У 2012 році Цай та ін. використали структуру з коротким резонатором довжиною 1,4 см для отримання поляризаційного лазерного випромінювання з вихідною потужністю понад 114 мВт, центральною довжиною хвилі 1540,3 нм та шириною лінії 4,1 кГц. У 2013 році Менг та ін. використали бриллюенівське розсіювання на легованому ербієм волокні з коротким кільцевим резонатором пристрою з повним зміщенням, щоб отримати лазерний випромінювання з низьким поздовжнім режимом та низьким фазовим шумом з вихідною потужністю 10 мВт. У 2015 році команда використала кільцевий резонатор, що складається з легованого ербієм волокна діаметром 45 см, як середовище для посилення бриллюенівського розсіювання, для отримання лазерного випромінювання з низьким порогом та вузькою шириною лінії.
Рис. 2 (а) Схематичне зображення волоконного лазера SLC;
(b) Форма лінії гетеродинного сигналу, виміряного із затримкою оптоволоконного волокна 97,6 км
Час публікації: 20 листопада 2023 р.