Laserkildeteknologi foroptisk fibersanser del én
Optisk fibersensorteknologi er en slags sensorteknologi utviklet sammen med optisk fiberteknologi og optisk fiberkommunikasjonsteknologi, og den har blitt en av de mest aktive grenene innen fotoelektrisk teknologi. Optisk fibersensorsystem er hovedsakelig sammensatt av laser, transmisjonsfiber, sensorelement eller modulasjonsområde, lysdeteksjon og andre deler. Parametrene som beskriver egenskapene til lysbølge inkluderer intensitet, bølgelengde, fase, polarisasjonstilstand, etc. Disse parameterne kan endres av ytre påvirkninger i optisk fiberoverføring. For eksempel når temperatur, tøyning, trykk, strøm, forskyvning, vibrasjon, rotasjon, bøyning og kjemisk mengde påvirker den optiske banen, endres disse parameterne tilsvarende. Optisk fiberføling er basert på forholdet mellom disse parameterne og eksterne faktorer for å oppdage de tilsvarende fysiske størrelsene.
Det finnes mange typerlaserkildebrukes i optiske fibersensorsystemer, som kan deles inn i to kategorier: koherentlaserkilderog usammenhengende lyskilder, usammenhengendelyskilderinkluderer hovedsakelig glødelys og lysemitterende dioder, og koherente lyskilder inkluderer solide lasere, flytende lasere, gasslasere,halvlederlaserogfiber laser. Følgende er hovedsakelig forlaser lyskildemye brukt innen fiberføling de siste årene: enkel-frekvenslaser med smal linjebredde, sveipefrekvenslaser med enkelt bølgelengde og hvit laser.
1.1 Krav til smal linjebreddelaser lyskilder
Optisk fibersensorsystem kan ikke separeres fra laserkilden, da den målte signalbærerlysbølgen, laserlyskildens ytelse, for eksempel strømstabilitet, laserlinjebredde, fasestøy og andre parametere på det optiske fibersensorsystemet deteksjonsavstand, deteksjon nøyaktighet, følsomhet og støyegenskaper spiller en avgjørende rolle. I de senere årene, med utviklingen av langdistanse ultrahøyoppløselige optiske fibersensorsystemer, har akademia og industri fremmet strengere krav til linjebreddeytelsen til laserminiatyrisering, hovedsakelig innen: optisk frekvensdomenerefleksjon (OFDR) teknologi bruker koherent deteksjonsteknologi for å analysere backrayleigh-spredte signaler fra optiske fibre i frekvensdomenet, med bred dekning (tusenvis av meter). Fordelene med høy oppløsning (oppløsning på millimeternivå) og høy følsomhet (opptil -100 dBm) har blitt en av teknologiene med brede bruksmuligheter innen distribuert optisk fibermåling og sensorteknologi. Kjernen i OFDR-teknologi er å bruke avstembar lyskilde for å oppnå optisk frekvensinnstilling, slik at ytelsen til laserkilden bestemmer nøkkelfaktorene som OFDR-deteksjonsområde, følsomhet og oppløsning. Når refleksjonspunktavstanden er nær koherenslengden, vil intensiteten til slagsignalet bli eksponentielt dempet av koeffisienten τ/τc. For en gaussisk lyskilde med en spektral form, for å sikre at slagfrekvensen har mer enn 90 % synlighet, er forholdet mellom linjebredden til lyskilden og den maksimale sensorlengden som systemet kan oppnå Lmax~0,04vg /f, som betyr at for en fiber med en lengde på 80 km er linjebredden på lyskilden mindre enn 100 Hz. I tillegg stiller utviklingen av andre applikasjoner også høyere krav til lyskildens linjebredde. 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 av temperatur og spenning hovedsakelig av linjebredden til lyskilden. I en fiberoptisk resonatorgyro 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 målingen nøyaktigheten til den fiberoptiske gyroen.
1.2 Krav til sveipelaserkilder
Enkel bølgelengde sveipelaser har fleksibel bølgelengdeinnstillingsytelse, kan erstatte flere utgangslasere med fast bølgelengde, redusere kostnadene for systemkonstruksjon, er en uunnværlig del av optisk fibersensorsystem. For eksempel, ved sporgassfiberføling, 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 detekterende lyskilden. Derfor har lasere med smal linjebredde med stabil bredbåndsjusteringsytelse høyere målefleksibilitet i slike sensorsystemer. For eksempel, i noen distribuerte optiske fibersensorsystemer basert på refleksjon av optisk frekvensdomene, må laseren raskt periodisk sveipes for å oppnå høypresisjon koherent deteksjon og demodulering av optiske signaler, slik at modulasjonshastigheten til laserkilden har relativt høye krav , og sveipehastigheten til den justerbare laseren kreves vanligvis for å nå 10 pm/μs. I tillegg kan den bølgelengdejusterbare laseren med smal linjebredde også brukes mye i liDAR, laserfjernmåling og høyoppløselig spektralanalyse og andre sensingsfelt. For å møte kravene til høyytelsesparametere for innstilling av båndbredde, innstillingsnøyaktighet og innstillingshastighet for enkeltbølgelengdelasere innen fibersensor, er det overordnede målet med å studere avstembare fiberlasere med smal bredde de siste årene å oppnå høy- presisjonsinnstilling i et større bølgelengdeområde på grunnlag av å forfølge ultrasmal laserlinjebredde, ultralav fasestøy, og ultrastabil utgangsfrekvens og kraft.
1.3 Etterspørsel etter hvit laserlyskilde
Innenfor optisk sensing er høykvalitets hvitt lyslaser av stor betydning for å forbedre ytelsen til systemet. Jo bredere spektrumdekning av hvitt lyslaser er, desto mer omfattende er dens bruk i optiske fibersensorsystemer. For eksempel, når du bruker fiber Bragg-gitter (FBG) for å konstruere et sensornettverk, kan spektralanalyse eller avstembar filtertilpasningsmetode brukes for demodulering. Førstnevnte brukte et spektrometer for direkte å teste hver FBG-resonansbølgelengde i nettverket. Sistnevnte bruker et referansefilter for å spore og kalibrere FBG i sensingen, som begge krever en bredbåndslyskilde som testlyskilde for FBG. Fordi hvert FBG-aksessnettverk 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 du bruker langtidsfibergitter (LPFG) for sensing, siden båndbredden til en enkelt tapstopp er i størrelsesorden 10 nm, kreves en bredspektret lyskilde med tilstrekkelig båndbredde og relativt flatt spektrum for nøyaktig å karakterisere resonansen. toppegenskaper. Spesielt kan akustisk fibergitter (AIFG) konstruert ved å bruke akusto-optisk effekt oppnå et innstillingsområde med resonansbølgelengde opp til 1000 nm ved hjelp av elektrisk tuning. Derfor utgjør dynamisk gittertesting med et så ultrabredt innstillingsområde en stor utfordring for båndbreddeområdet til en bredspektret lyskilde. Tilsvarende har også skråstilte Bragg-fiberrister de siste årene blitt mye brukt innen fiberføling. På grunn av dets multi-peak tapsspektrumkarakteristikk, kan bølgelengdefordelingsområdet vanligvis nå 40 nm. Dens sansemekanisme er vanligvis å sammenligne den relative bevegelsen mellom flere overføringstopper, så det er nødvendig å måle overføringsspekteret fullstendig. Båndbredden og kraften til bredspektret lyskilde må være høyere.
2. Forskningsstatus i inn- og utland
2.1 Laserlyskilde med smal linjebredde
2.1.1 Halvlederdistribuert tilbakemeldingslaser med smal linjebredde
I 2006, Cliche et al. reduserte MHz-skalaen til halvledereDFB laser(distribuert tilbakemeldingslaser) til kHz skala ved bruk av elektrisk tilbakemeldingsmetode; I 2011, Kessler et al. brukt lav temperatur og høy stabilitet enkeltkrystallhulrom kombinert med aktiv tilbakemeldingskontroll for å oppnå ultrasmal linjebredde laserutgang 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) tilbakemeldingsjustering. Den elektriske tilbakemeldingsmetoden brukte hovedsakelig Pond-Drever-Hall frekvensstabiliseringstilbakemelding for å få laserlinjebredden til lyskilden til å reduseres. I 2010, Bernhardi et al. produserte 1 cm erbium-dopet alumina FBG på et silisiumoksidsubstrat for å oppnå en laserutgang med en linjebredde på omtrent 1,7 kHz. Samme år, Liang et al. brukte selvinjeksjons-tilbakemelding av bakover Rayleigh-spredning dannet av en høy-Q ekko veggresonator for halvlederlaser linjebredde kompresjon, som vist i figur 1, og oppnådde til slutt en smal linjebredde laserutgang på 160 Hz.
Fig. 1 (a) Diagram over halvlederlaserlinjebreddekompresjon basert på selvinjeksjon Rayleigh-spredning av ekstern hviskegallerimodusresonator;
(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 fiberlasere med lineært hulrom oppnås laserutgangen med smal linjebredde for enkel langsgående modus ved å forkorte lengden på resonatoren og øke lengdemodusintervallet. I 2004, Spiegelberg et al. oppnådde en enkelt langsgående modus med smal linjebredde laserutgang med en linjebredde på 2 kHz ved å bruke DBR kort hulrom metode. I 2007, Shen et al. brukte en 2 cm tungt erbium-dopet silisiumfiber for å skrive FBG på en Bi-Ge co-dopet fotosensitiv fiber, og fusjonerte den med en aktiv fiber for å danne et kompakt lineært hulrom, noe som gjorde laserutgangslinjebredden mindre enn 1 kHz. I 2010, Yang et al. brukte et 2 cm høyt dopet kort lineært hulrom kombinert med et smalbånds FBG-filter for å oppnå en enkelt longitudinell modus laserutgang 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, Cai et al. brukte 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, Meng et al. brukt Brillouin-spredning av erbium-dopet fiber med et kort ringhulrom til en full-bias konserveringsenhet for å oppnå en enkelt-langsgående modus, lavfasestøylaserutgang med en utgangseffekt på 10 mW. I 2015 brukte teamet et ringhulrom sammensatt av 45 cm erbium-dopet fiber som Brillouin spredningsforsterkningsmedium for å oppnå en lav terskel og en smal linjebredde laserutgang.
Fig. 2 (a) Skjematisk tegning av SLC-fiberlaseren;
(b) Linjeformen til det heterodyne signalet målt med 97,6 km fiberforsinkelse
Innleggstid: 20. november 2023