Технологія лазерного джерела дляоптичне волокноЧастина перша
Оптоволоконна сенсорна технологія — це свого роду сенсорна технологія, розроблена разом із оптично-волоконною технологією та волоконно-оптичною технологією зв’язку, і вона стала однією з найактивніших галузей фотоелектричних технологій.Система оптичного волокна в основному складається з лазера, волокна передачі, чутливого елемента або області модуляції, виявлення світла та інших частин.Параметри, що описують характеристики світлової хвилі, включають інтенсивність, довжину хвилі, фазу, стан поляризації тощо. Ці параметри можуть бути змінені зовнішніми впливами в оптичному волокні.Наприклад, коли на оптичний шлях впливають температура, деформація, тиск, струм, переміщення, вібрація, обертання, вигин і хімічна кількість, ці параметри змінюються відповідно.Розпізнавання оптичних волокон базується на зв’язку між цими параметрами та зовнішніми факторами для виявлення відповідних фізичних величин.
Є багато типівджерело лазеравикористовується в волоконно-оптичних сенсорних системах, які можна розділити на дві категорії: когерентнілазерні джерелаі некогерентні джерела світла, некогерентніджерела світлав основному включають лампи розжарювання та світловипромінювальні діоди, а джерела когерентного світла включають твердотільні лазери, рідинні лазери, газові лазери,напівпровідниковий лазеріволоконний лазер.Наступне в основному дляджерело лазерного світлашироко використовуються в області зондування волокна в останні роки: вузьколінійний одночастотний лазер, однохвильовий частотний лазер і білий лазер.
1.1 Вимоги до вузької ширини лініїлазерні джерела світла
Оптико-волоконну систему зондування не можна відокремити від лазерного джерела, оскільки виміряна світлова хвиля несучої сигналу, сама продуктивність лазерного джерела світла, наприклад, стабільність потужності, ширина лінії лазера, фазовий шум та інші параметри на відстані виявлення оптично-волоконної системи зондування, виявлення точність, чутливість і шумові характеристики відіграють вирішальну роль.Останніми роками з розробкою оптичних волоконних сенсорних систем надвисокої роздільної здатності на великій відстані академічні та промислові кола висунули більш суворі вимоги до ширини лінії лазерної мініатюризації, головним чином у: технологія відбиття в оптичній частотній області (OFDR) використовує когерентний технологія виявлення для аналізу зворотно-розсіяних сигналів оптичних волокон у частотній області з широким покриттям (тисячі метрів).Переваги високої роздільної здатності (роздільна здатність міліметрового рівня) і високої чутливості (до -100 дБм) стали однією з технологій із широкими перспективами застосування в розподілених оптичних волокнах вимірювань і технології зондування.Основою технології OFDR є використання регульованого джерела світла для досягнення оптичної настройки частоти, тому продуктивність лазерного джерела визначає такі ключові фактори, як діапазон виявлення OFDR, чутливість і роздільна здатність.Коли відстань точки відбиття близька до довжини когерентності, інтенсивність сигналу биття експоненціально послаблюється на коефіцієнт τ/τc.Для гаусового джерела світла зі спектральною формою, щоб гарантувати, що частота биття має видимість 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, розробка інших додатків також висуває підвищені вимоги до ширини лінії джерела світла.Наприклад, у волоконно-оптичній гідрофонній системі ширина лінії джерела світла визначає системний шум, а також визначає мінімальний вимірюваний сигнал системи.В оптичному відбивачі Бріллюена у часовій області (BOTDR) роздільна здатність вимірювання температури та напруги в основному визначається шириною лінії джерела світла.У резонаторному волоконно-оптичному гіроскопі довжину когерентності світлової хвилі можна збільшити шляхом зменшення ширини лінії джерела світла, тим самим покращуючи тонкість і глибину резонансу резонатора, зменшуючи ширину лінії резонатора та забезпечуючи вимірювання точність оптоволоконного гіроскопа.
1.2 Вимоги до лазерних джерел розгортки
Лазер з розгорткою однієї довжини хвилі має гнучку продуктивність налаштування довжини хвилі, може замінити кілька вихідних лазерів з фіксованою довжиною хвилі, зменшити вартість конструкції системи, є невід’ємною частиною оптоволоконної системи зондування.Наприклад, при вимірюванні волокна слідів газу різні види газів мають різні піки поглинання газу.Щоб забезпечити ефективність поглинання світла, коли вимірювального газу достатньо, і досягти вищої чутливості вимірювання, необхідно вирівняти довжину хвилі джерела пропускання світла з піком поглинання молекули газу.Тип газу, який можна виявити, в основному визначається довжиною хвилі джерела світла, що чутливий.Таким чином, лазери з вузькою шириною лінії зі стабільною широкосмуговою продуктивністю налаштування мають вищу гнучкість вимірювання в таких сенсорних системах.Наприклад, у деяких розподілених волоконно-оптичних сенсорних системах, заснованих на відображенні в оптичній частотній області, для досягнення високоточного когерентного виявлення та демодуляції оптичних сигналів необхідно швидко періодично змінювати лазер, тому швидкість модуляції лазерного джерела має відносно високі вимоги. , а швидкість розгортки регульованого лазера зазвичай повинна досягати 10 пм/мкс.Крім того, вузьколінійний лазер із регульованою довжиною хвилі також можна широко використовувати в liDAR, лазерному дистанційному зондуванні та спектральному аналізі високої роздільної здатності та інших областях зондування.Щоб задовольнити вимоги до параметрів високої продуктивності налаштування смуги пропускання, точності налаштування та швидкості налаштування однохвильових лазерів у сфері волоконного зондування, загальною метою вивчення регульованих волоконних лазерів з вузькою шириною в останні роки є досягнення високої точне налаштування в широкому діапазоні довжин хвиль на основі надвузької ширини лазерної лінії, наднизького фазового шуму та надстабільної вихідної частоти та потужності.
1.3 Попит на біле лазерне джерело світла
У сфері 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 волокна.Наприклад, при використанні оптоволоконної бреггівської решітки (FBG) для побудови сенсорної мережі для демодуляції можна використовувати спектральний аналіз або метод узгодження з регульованим фільтром.Перший використовував спектрометр для безпосереднього тестування кожної резонансної довжини хвилі FBG у мережі.Останній використовує еталонний фільтр для відстеження та калібрування FBG під час вимірювання, для обох яких потрібне широкосмугове джерело світла як тестове джерело світла для FBG.Оскільки кожна мережа доступу FBG матиме певні внесені втрати та має смугу пропускання понад 0,1 нм, одночасна демодуляція кількох FBG вимагає широкосмугового джерела світла з високою потужністю та високою пропускною здатністю.Наприклад, при використанні довгоперіодної волоконної решітки (LPFG) для зондування, оскільки смуга пропускання одного піку втрат становить близько 10 нм, джерело світла широкого спектру з достатньою смугою пропускання та відносно плоским спектром потрібне для точної характеристики його резонансу. пікові характеристики.Зокрема, акустична волоконна решітка (AIFG), побудована з використанням акустооптичного ефекту, може досягти діапазону налаштування резонансної довжини хвилі до 1000 нм за допомогою електричного налаштування.Таким чином, тестування динамічної решітки з таким надшироким діапазоном налаштування створює серйозну проблему для діапазону пропускної здатності джерела світла широкого спектру.Подібним чином, в останні роки нахилена волоконна решітка Брегга також широко використовується в області зондування волокна.Завдяки характеристикам багатопікового спектру втрат діапазон розподілу довжини хвилі зазвичай може досягати 40 нм.Його чутливий механізм зазвичай полягає в порівнянні відносного руху між кількома піками пропускання, тому необхідно повністю виміряти його спектр пропускання.Смуга пропускання та потужність джерела світла широкого спектру мають бути вищими.
2. Статус дослідження в країні та за кордоном
2.1 Лазерне джерело світла з вузькою шириною лінії
2.1.1 Вузьколінійний напівпровідниковий лазер із розподіленим зворотним зв'язком
У 2006 році Cliche та ін.зменшив МГц масштаб напівпровідникаDFB лазер(лазер з розподіленим зворотним зв'язком) у масштабі кГц з використанням методу електричного зворотного зв'язку;У 2011 році Kessler et al.використаний низькотемпературний і високостабільний монокристалічний резонатор у поєднанні з активним керуванням зворотним зв'язком для отримання надвузької лінійної вихідної частоти 40 МГц;У 2013 році Peng та інші отримали вихід напівпровідникового лазера з шириною лінії 15 кГц за допомогою зовнішнього налаштування зворотного зв’язку Фабрі-Перо (FP).Метод електричного зворотного зв’язку в основному використовував зворотний зв’язок стабілізації частоти Понда-Древера-Холла, щоб зменшити ширину лінії лазера джерела світла.У 2010 році Bernhardi et al.виготовив 1 см легованого ербієм оксиду алюмінію FBG на підкладці з оксиду кремнію для отримання лазерного випромінювання з шириною лінії приблизно 1,7 кГц.У тому ж році Liang et al.використав зворотний зв’язок із самоін’єкцією зворотного релеївського розсіювання, утворений резонатором стінки відлуння з високою добротністю для стиснення ширини лінії напівпровідникового лазера, як показано на малюнку 1, і, нарешті, отримав вузький вихід лазера з шириною лінії 160 Гц.
Рис. 1 (а) Діаграма стиснення ширини лінії напівпровідникового лазера на основі самоінжекційного релеївського розсіювання зовнішнього резонатора мод шепотючої галереї;
(b) Частотний спектр вільного напівпровідникового лазера з шириною лінії 8 МГц;
(c) Частотний спектр лазера зі стиснутою шириною лінії до 160 Гц
2.1.2 Вузьколінійний волоконний лазер
Для волоконних лазерів з лінійним резонатором вихід лазера з вузькою шириною лінії однієї поздовжньої моди досягається шляхом скорочення довжини резонатора та збільшення інтервалу поздовжньої моди.У 2004 році Spiegelberg et al.отримали один поздовжній вихід лазера з вузькою шириною лінії з шириною лінії 2 кГц за допомогою методу короткого резонатора DBR.У 2007 році Shen та ін.використовував 2-сантиметрове кремнієве волокно, сильно леговане ербієм, для запису FBG на світлочутливому волокні, легованому Bi-Ge, і з’єднав його з активним волокном, щоб утворити компактний лінійний резонатор, зробивши ширину вихідної лінії лазера менше 1 кГц.У 2010 році Yang та ін.використовував 2-сантиметровий високолегований короткий лінійний резонатор у поєднанні з вузькосмуговим фільтром FBG, щоб отримати вихід лазера в одному поздовжньому режимі з шириною лінії менше 2 кГц.У 2014 році команда використала короткий лінійний резонатор (віртуальний складчастий кільцевий резонатор) у поєднанні з фільтром FBG-FP, щоб отримати вихід лазера з меншою шириною лінії, як показано на малюнку 3. У 2012 році Cai та ін.використав структуру з коротким резонатором 1,4 см для отримання поляризаційного лазерного випромінювання з вихідною потужністю понад 114 мВт, центральною довжиною хвилі 1540,3 нм і шириною лінії 4,1 кГц.У 2013 році Мен та ін.використовував бріллюенівське розсіювання легованого ербієм волокна з короткою кільцевою порожниною пристрою, що зберігає повне зміщення, щоб отримати вихідну потужність лазера з однопоздовжньою модою та низькофазовим шумом із вихідною потужністю 10 мВт.У 2015 році команда використала кільцевий резонатор, що складається з 45-сантиметрового волокна, легованого ербієм, як середовище підсилення розсіювання Бріллюена, щоб отримати вихідний сигнал лазера з низьким порогом і вузькою шириною лінії.
Рис. 2 (а) Схематичний малюнок волоконного лазера SLC;
(b) Форма лінії гетеродинного сигналу, виміряного із затримкою волокна 97,6 км
Час публікації: 20 листопада 2023 р