Laserkildeteknologi foroptisk fibersansing del én
Fiberoptisk sensorteknologi er en type sensorteknologi utviklet sammen med fiberoptisk teknologi og fiberoptisk kommunikasjonsteknologi, og har blitt en av de mest aktive grenene innen fotoelektrisk teknologi. Fiberoptiske sensorsystemer består hovedsakelig av laser, transmisjonsfiber, sensorelement eller modulasjonsområde, lysdeteksjon og andre deler. Parametrene som beskriver egenskapene til lysbølger inkluderer intensitet, bølgelengde, fase, polarisasjonstilstand, etc. Disse parameterne kan endres av ytre påvirkninger i fiberoptisk overføring. For eksempel, når temperatur, tøyning, trykk, strøm, forskyvning, vibrasjon, rotasjon, bøying og kjemisk mengde påvirker den optiske banen, endres disse parameterne tilsvarende. Fiberoptisk sensorteknologi er basert på forholdet mellom disse parameterne og eksterne faktorer for å detektere de tilsvarende fysiske størrelsene.
Det finnes mange typer avlaserkildebrukt i optiske fibersensorsystemer, som kan deles inn i to kategorier: koherentlaserkilderog inkoherente lyskilder, inkoherentelyskilderomfatter hovedsakelig glødelys og lysdioder, og koherente lyskilder omfatter faste lasere, flytende lasere, gasslasere,halvlederlaserogfiberlaserDet følgende er hovedsakelig forlaserlyskildemye brukt innen fiberregistrering de siste årene: smal linjebredde enkeltfrekvenslaser, enkeltbølgelengde feiefrekvenslaser og hvit laser.
1.1 Krav til smal linjebreddelaserlyskilder
Det optiske fiberfølersystemet kan ikke skilles fra laserkilden, ettersom den målte signalbærerlysbølgen og selve laserlyskildens ytelse, som effektstabilitet, laserlinjebredde, fasestøy og andre parametere spiller en avgjørende rolle i det optiske fiberfølersystemets deteksjonsavstand, deteksjonsnøyaktighet, følsomhet og støyegenskaper. I de senere år, med utviklingen av ultrahøyoppløselige optiske fiberfølersystemer over lange avstander, har akademia og industrien stilt strengere krav til linjebreddeytelsen til laserminiatyrisering, hovedsakelig innen: optisk frekvensdomenerefleksjon (OFDR)-teknologi bruker koherent deteksjonsteknologi for å analysere de spredte backrayleigh-signalene fra optiske fibre i frekvensdomenet, med bred dekning (tusenvis av meter). Fordelene med høy oppløsning (millimeternivåoppløsning) og høy følsomhet (opptil -100 dBm) har blitt en av teknologiene med brede anvendelsesmuligheter innen distribuert optisk fibermåling og -føling. Kjernen i OFDR-teknologi er å bruke en justerbar lyskilde for å oppnå optisk frekvensjustering, slik at laserkildens ytelse bestemmer nøkkelfaktorer som OFDR-deteksjonsområde, følsomhet og oppløsning. Når refleksjonspunktavstanden er nær koherenslengden, vil intensiteten til taktsignalet dempes eksponentielt med koeffisienten τ/τc. For en Gaussisk lyskilde med spektral form, for å sikre at taktfrekvensen har mer enn 90 % synlighet, er forholdet mellom linjebredden til lyskilden og den maksimale følelengden som systemet kan oppnå Lmax ~ 0,04 vg/f, noe som betyr at for en fiber med en lengde på 80 km er linjebredden til lyskilden mindre enn 100 Hz. I tillegg stiller utviklingen av andre applikasjoner også høyere krav til linjebredden til lyskilden. For eksempel, i det optiske fiberhydrofonsystemet, bestemmer linjebredden til lyskilden systemstøyen og bestemmer også systemets minimum målbare signal. I Brillouin optisk tidsdomenereflektor (BOTDR) bestemmes måleoppløsningen for temperatur og stress hovedsakelig av linjebredden til lyskilden. I en resonator fiberoptisk gyro kan koherenslengden til lysbølgen økes ved å redusere linjebredden til lyskilden, og dermed forbedre finheten og resonansdybden til resonatoren, redusere linjebredden til resonatoren og sikre målenøyaktigheten til den fiberoptiske gyroen.
1.2 Krav til sveipelaserkilder
En enkeltbølgelengdes sveipelaser har fleksibel bølgelengdejusteringsytelse, kan erstatte flere utgangslasere med fast bølgelengde, redusere kostnadene ved systemkonstruksjon og er en uunnværlig del av et optisk fibersensorsystem. For eksempel, i sporgassfibersensorer har forskjellige typer gasser forskjellige gassabsorpsjonstopper. For å sikre lysabsorpsjonseffektiviteten når målegassen er tilstrekkelig og oppnå høyere målefølsomhet, er det nødvendig å justere bølgelengden til transmisjonslyskilden med absorpsjonstoppen til gassmolekylet. Typen gass som kan detekteres bestemmes i hovedsak av bølgelengden til den sensoriske lyskilden. Derfor har smale linjebreddelasere med stabil bredbåndsjusteringsytelse høyere målefleksibilitet i slike sensorsystemer. For eksempel, i noen distribuerte optiske fibersensorsystemer basert på refleksjon i det optiske frekvensdomenet, må laseren sveipes raskt og periodisk for å oppnå høy presisjon koherent deteksjon og demodulering av optiske signaler, så modulasjonshastigheten til laserkilden har relativt høye krav, og sveipehastigheten til den justerbare laseren er vanligvis nødvendig for å nå 10 pm/μs. I tillegg kan den bølgelengdejusterbare smallinjebreddelaseren også brukes mye i liDAR, laserfjernmåling og høyoppløselig spektralanalyse og andre sensorfelt. For å oppfylle kravene til høyytelsesparametere for tuning av båndbredde, tuningnøyaktighet og tuninghastighet for enkeltbølgelengdelasere innen fiberføling, er det overordnede målet med å studere avjusterbare smallinjebreddefiberlasere de siste årene å oppnå høy presisjonstuning i et større bølgelengdeområde basert på å forfølge ultrasmal laserlinjebredde, ultralav fasestøy og ultrastabil utgangsfrekvens og effekt.
1.3 Etterspørsel etter hvit laserlyskilde
Innen optisk sensorteknikk er hvitlyslaser av høy kvalitet av stor betydning for å forbedre systemets ytelse. Jo bredere spektrumdekningen til hvitlyslaseren er, desto mer omfattende er bruken i optiske fibersensorsystemer. For eksempel, når man bruker fiber Bragg-gitter (FBG) til å konstruere et sensornettverk, kan spektralanalyse eller avstembare filtertilpasningsmetode brukes til demodulering. Førstnevnte bruker et spektrometer for å teste hver FBG-resonansbølgelengde direkte i nettverket. Sistnevnte bruker et referansefilter for å spore og kalibrere FBG i sensorteknikken, som begge krever en bredbåndslyskilde som testlyskilde for FBG. Fordi hvert FBG-tilgangsnettverk vil ha et visst innsettingstap og har en båndbredde på mer enn 0,1 nm, krever samtidig demodulering av flere FBG en bredbåndslyskilde med høy effekt og høy båndbredde. For eksempel, når man bruker langtidsfibergitter (LPFG) til sensing, siden båndbredden til en enkelt tapstopp er i størrelsesorden 10 nm, kreves det en bredspektret lyskilde med tilstrekkelig båndbredde og relativt flatt spektrum for å nøyaktig karakterisere dens resonante toppkarakteristikker. Spesielt kan akustisk fibergitter (AIFG) konstruert ved bruk av akustooptisk effekt oppnå et innstillingsområde med resonansbølgelengde opptil 1000 nm ved hjelp av elektrisk innstilling. Derfor utgjør dynamisk gittertesting med et så ultrabredt innstillingsområde en stor utfordring for båndbreddeområdet til en bredspektret lyskilde. På samme måte har skråstilt Bragg-fibergitter de siste årene også blitt mye brukt innen fibersensing. På grunn av dens tapsspektrumkarakteristikker med flere topper, kan bølgelengdefordelingsområdet vanligvis nå 40 nm. Dens sensemekanisme er vanligvis å sammenligne den relative bevegelsen mellom flere transmisjonstopper, så det er nødvendig å måle transmisjonsspekteret fullstendig. Båndbredden og effekten til den bredspektrede lyskilden må være høyere.
2. Forskningsstatus hjemme og i utlandet
2.1 Laserlyskilde med smal linjebredde
2.1.1 Halvlederdistribuert tilbakekoblingslaser med smal linjebredde
I 2006 reduserte Cliche et al. MHz-skalaen til halvledereDFB-laser(distribuert tilbakekoblingslaser) til kHz-skala ved bruk av elektrisk tilbakekoblingsmetode; I 2011 brukte Kessler et al. lavtemperatur og høy stabilitet i enkeltkrystallhulrommet kombinert med aktiv tilbakekoblingskontroll for å oppnå en ultrasmal linjebreddelaserutgang på 40 MHz; I 2013 oppnådde Peng et al. en halvlederlaserutgang med en linjebredde på 15 kHz ved å bruke metoden for ekstern Fabry-Perot (FP) tilbakekoblingsjustering. Den elektriske tilbakekoblingsmetoden brukte hovedsakelig Pond-Drever-Hall frekvensstabiliseringstilbakekobling for å redusere laserlinjebredden til lyskilden. I 2010 produserte Bernhardi et al. 1 cm erbiumdopet alumina FBG på et silisiumoksidsubstrat for å oppnå en laserutgang med en linjebredde på omtrent 1,7 kHz. Samme år, Liang et al. brukte selvinjeksjonsfeedbacken til bakover Rayleigh-spredning dannet av en ekkoveggresonator med høy Q-verdi for kompresjon av halvlederlaserlinjebredde, som vist i figur 1, og oppnådde til slutt en smal linjebreddelaserutgang på 160 Hz.
Fig. 1 (a) Diagram over linjebreddekompresjon med halvlederlaser basert på selvinjeksjon av Rayleigh-spredning i en ekstern hviskende gallerimodusresonator;
(b) Frekvensspekteret til den frittløpende halvlederlaseren med linjebredde på 8 MHz;
(c) Frekvensspekteret til laseren med linjebredde komprimert til 160 Hz
2.1.2 Fiberlaser med smal linjebredde
For lineære kavitetsfiberlasere oppnås den smale linjebreddelaserutgangen i enkelt longitudinelt modus ved å forkorte lengden på resonatoren og øke det longitudinelle modusintervallet. I 2004 oppnådde Spiegelberg et al. en smal linjebreddelaserutgang i enkelt longitudinelt modus med en linjebredde på 2 kHz ved å bruke DBR-kortkavitetsmetoden. I 2007 brukte Shen et al. en 2 cm sterkt erbiumdopet silisiumfiber til å skrive FBG på en Bi-Ge-kodopert lysfølsom fiber, og smeltet den sammen med en aktiv fiber for å danne et kompakt lineært hulrom, noe som gjorde laserutgangslinjebredden mindre enn 1 kHz. I 2010 brukte Yang et al. et 2 cm sterkt dopet kort lineært hulrom kombinert med et smalbåndet FBG-filter for å oppnå en enkelt longitudinell moduslaserutgang med en linjebredde på mindre enn 2 kHz. I 2014 brukte teamet et kort lineært hulrom (virtuell foldet ringresonator) kombinert med et FBG-FP-filter for å oppnå en laserutgang med en smalere linjebredde, som vist i figur 3. I 2012 brukte Cai et al. en 1,4 cm kort hulromsstruktur for å oppnå en polariserende laserutgang med en utgangseffekt større enn 114 mW, en sentral bølgelengde på 1540,3 nm og en linjebredde på 4,1 kHz. I 2013 brukte Meng et al. Brillouin-spredning av erbiumdopet fiber med et kort ringhulrom i en fullforspenningsbevarende enhet for å oppnå en enkelt longitudinell modus, lavfasestøylaserutgang med en utgangseffekt på 10 mW. I 2015 brukte teamet et ringhulrom bestående av 45 cm erbiumdopet fiber som Brillouin-spredningsforsterkningsmedium for å oppnå en laserutgang med lav terskel og smal linjebredde.
Fig. 2 (a) Skjematisk tegning av SLC-fiberlaseren;
(b) Linjeformen til heterodynsignalet målt med 97,6 km fiberforsinkelse
Publisert: 20. november 2023