Technológia laserového zdroja preoptické vláknosnímanie, prvá časť
Technológia snímania optických vlákien je druh snímacej technológie vyvinutej spolu s technológiou optických vlákien a technológiou optickej komunikácie a stala sa jednou z najaktívnejších vetiev fotoelektrickej technológie. Systém snímania optických vlákien sa skladá hlavne z lasera, prenosového vlákna, snímacieho prvku alebo modulačnej oblasti, detekcie svetla a ďalších častí. Medzi parametre opisujúce charakteristiky svetelnej vlny patrí intenzita, vlnová dĺžka, fáza, stav polarizácie atď. Tieto parametre sa môžu meniť vonkajšími vplyvmi pri prenose optických vlákien. Napríklad, keď teplota, deformácia, tlak, prúd, posun, vibrácie, rotácia, ohyb a chemické veličiny ovplyvňujú optickú dráhu, tieto parametre sa zodpovedajúcim spôsobom menia. Snímanie optických vlákien je založené na vzťahu medzi týmito parametrami a vonkajšími faktormi na detekciu zodpovedajúcich fyzikálnych veličín.
Existuje veľa druhovlaserový zdrojpoužívané v systémoch snímania optických vlákien, ktoré možno rozdeliť do dvoch kategórií: koherentnélaserové zdrojea nekoherentné svetelné zdroje, nekoherentnésvetelné zdrojezahŕňajú najmä žiarovky a diódy vyžarujúce svetlo a koherentné zdroje svetla zahŕňajú lasery na tuhé zložky, kvapalinové lasery, plynové lasery,polovodičový laseravláknový laserNasledujúce je určené najmä prelaserový svetelný zdrojV posledných rokoch sa v oblasti snímania vlákien široko používajú: jednofrekvenčný laser s úzkou šírkou čiary, laser s jednovlnovou dĺžkou a biely laser.
1.1 Požiadavky na úzku šírku čiarylaserové svetelné zdroje
Systém snímania optických vlákien nemožno oddeliť od laserového zdroja, pretože meraná svetelná vlna nosiča signálu, samotný výkon laserového zdroja svetla, ako je stabilita výkonu, šírka laserového vedenia, fázový šum a ďalšie parametre, ktoré zohrávajú rozhodujúcu úlohu v detekčnej vzdialenosti, presnosti detekcie, citlivosti a šumových charakteristikách systému snímania optických vlákien. V posledných rokoch s vývojom systémov snímania optických vlákien s ultravysokým rozlíšením na dlhé vzdialenosti, akademická obec a priemysel predložili prísnejšie požiadavky na výkon šírky vedenia laserovej miniaturizácie, najmä v: technológii optického frekvenčného odrazu (OFDR) využíva technológiu koherentnej detekcie na analýzu signálov rozptýlených Rayleighovým vlnením optických vlákien vo frekvenčnej doméne so širokým pokrytím (tisíce metrov). Výhody vysokého rozlíšenia (rozlíšenie na milimetrovej úrovni) a vysokej citlivosti (až -100 dBm) sa stali jednou z technológií so širokými perspektívami uplatnenia v distribuovanej technológii merania a snímania optických vlákien. Jadrom technológie OFDR je použitie laditeľného svetelného zdroja na dosiahnutie optického ladenia frekvencie, takže výkon laserového zdroja určuje kľúčové faktory, ako je detekčný dosah OFDR, citlivosť a rozlíšenie. Keď je vzdialenosť odrazového bodu blízka koherenčnej dĺžke, intenzita signálu záblesku bude exponenciálne zoslabená koeficientom τ/τc. Pre Gaussov svetelný zdroj so spektrálnym tvarom, aby sa zabezpečila viditeľnosť frekvencie záblesku viac ako 90 %, vzťah medzi šírkou čiary svetelného zdroja a maximálnou snímacou dĺžkou, ktorú systém dokáže dosiahnuť, je Lmax ~ 0,04vg/f, čo znamená, že pre vlákno s dĺžkou 80 km je šírka čiary svetelného zdroja menšia ako 100 Hz. Okrem toho vývoj iných aplikácií kladie vyššie požiadavky na šírku čiary svetelného zdroja. Napríklad v systéme optických hydrofónov šírka čiary svetelného zdroja určuje šum systému a tiež určuje minimálny merateľný signál systému. V Brillouinovom optickom reflektore v časovej doméne (BOTDR) je rozlíšenie merania teploty a napätia určené hlavne šírkou čiary svetelného zdroja. V rezonátorovom gyroskope s optickými vláknami je možné zväčšiť koherenčnú dĺžku svetelnej vlny zmenšením šírky čiary svetelného zdroja, čím sa zlepší jemnosť a hĺbka rezonancie rezonátora, zmenší sa šírka čiary rezonátora a zabezpečí sa presnosť merania gyroskopu s optickými vláknami.
1.2 Požiadavky na zdroje laserového žiarenia
Jednovlnný laser s ladením vlnovej dĺžky má flexibilný výkon ladenia vlnovej dĺžky, môže nahradiť lasery s viacerými výstupmi s pevnou vlnovou dĺžkou, znižuje náklady na konštrukciu systému a je neoddeliteľnou súčasťou systému snímania optických vlákien. Napríklad pri snímaní stopových plynov pomocou vlákien majú rôzne druhy plynov rôzne absorpčné vrcholy plynu. Aby sa zabezpečila účinnosť absorpcie svetla pri dostatočnom množstve meracieho plynu a dosiahla sa vyššia citlivosť merania, je potrebné zosúladiť vlnovú dĺžku prepúšťajúceho svetelného zdroja s absorpčným vrcholom molekuly plynu. Typ plynu, ktorý je možné detegovať, je v podstate určený vlnovou dĺžkou snímacieho svetelného zdroja. Preto majú lasery s úzkou šírkou čiary a stabilným širokopásmovým ladením výkon vyššiu flexibilitu merania v takýchto snímacích systémoch. Napríklad v niektorých distribuovaných systémoch snímania optických vlákien založených na odraze vo frekvenčnej doméne je potrebné laser rýchlo a periodicky rýchlo ladiť, aby sa dosiahla vysoko presná koherentná detekcia a demodulácia optických signálov, takže modulačná rýchlosť laserového zdroja má relatívne vysoké požiadavky a rýchlosť ladenia nastaviteľného laseru zvyčajne dosahuje 10 pm/μs. Okrem toho sa laser s úzkou šírkou čiary s laditeľnou vlnovou dĺžkou môže široko používať aj v liDAR, laserovom diaľkovom prieskume Zeme, spektrálnej analýze s vysokým rozlíšením a ďalších oblastiach snímania. Aby sa splnili požiadavky na vysokovýkonné parametre ladenia šírky pásma, presnosti ladenia a rýchlosti ladenia laserov s jednou vlnovou dĺžkou v oblasti vláknového snímania, celkovým cieľom štúdia laditeľných vláknových laserov s úzkou šírkou v posledných rokoch je dosiahnuť vysoko presné ladenie vo väčšom rozsahu vlnových dĺžok na základe snahy o ultraúzku šírku laserovej čiary, ultranízky fázový šum a ultrastabilnú výstupnú frekvenciu a výkon.
1.3 Dopyt po zdroji bieleho laserového svetla
V oblasti optického snímania má vysokokvalitný biely laser veľký význam pre zlepšenie výkonu systému. Čím širšie je spektrálne pokrytie bieleho laseru, tým rozsiahlejšie je jeho uplatnenie v systéme optického snímania. Napríklad pri použití vláknovej Braggovej mriežky (FBG) na konštrukciu senzorovej siete by sa na demoduláciu mohla použiť spektrálna analýza alebo metóda prispôsobenia laditeľného filtra. Prvá metóda používala spektrometer na priame testovanie každej rezonančnej vlnovej dĺžky FBG v sieti. Druhá metóda používa referenčný filter na sledovanie a kalibráciu FBG pri snímaní, pričom obe vyžadujú širokopásmový svetelný zdroj ako testovací svetelný zdroj pre FBG. Pretože každá prístupová sieť FBG bude mať určitý vložený útlm a má šírku pásma viac ako 0,1 nm, simultánna demodulácia viacerých FBG vyžaduje širokopásmový svetelný zdroj s vysokým výkonom a vysokou šírkou pásma. Napríklad pri použití dlhoperiodickej vláknovej mriežky (LPFG) na snímanie, keďže šírka pásma jedného stratového píku je rádovo 10 nm, je potrebný širokospektrálny svetelný zdroj s dostatočnou šírkou pásma a relatívne plochým spektrom na presnú charakterizáciu jeho rezonančných píkových charakteristík. Najmä akustická vláknová mriežka (AIFG) skonštruovaná s využitím akusticko-optického efektu dokáže dosiahnuť rozsah ladenia rezonančnej vlnovej dĺžky až do 1000 nm pomocou elektrického ladenia. Preto dynamické testovanie mriežky s takýmto ultraširokým rozsahom ladenia predstavuje veľkú výzvu pre rozsah šírky pásma širokospektrálneho svetelného zdroja. Podobne sa v posledných rokoch v oblasti vláknového snímania široko používa aj naklonená Braggova vláknová mriežka. Vďaka svojim viacvrcholovým stratovým spektrálnym charakteristikám môže rozsah rozloženia vlnových dĺžok zvyčajne dosiahnuť 40 nm. Jej mechanizmus snímania zvyčajne spočíva v porovnaní relatívneho pohybu medzi viacerými prenosovými vrcholmi, takže je potrebné zmerať jeho prenosové spektrum úplne. Šírka pásma a výkon širokospektrálneho svetelného zdroja musia byť vyššie.
2. Stav výskumu doma a v zahraničí
2.1 Laserový zdroj svetla s úzkou šírkou čiary
2.1.1 Polovodičový laser s úzkou šírkou čiary s distribuovanou spätnou väzbou
V roku 2006 Cliche a kol. znížili MHz stupnicu polovodičovDFB laser(distribuovaný spätnoväzobný laser) na kHz stupnicu pomocou metódy elektrickej spätnej väzby; V roku 2011 Kessler a kol. použili nízkoteplotnú a vysoko stabilnú monokryštálovú dutinu v kombinácii s aktívnym riadením spätnou väzbou na dosiahnutie laserového výstupu s ultra úzkou šírkou čiary 40 MHz; V roku 2013 Peng a kol. získali polovodičový laserový výstup so šírkou čiary 15 kHz pomocou metódy externého nastavenia spätnej väzby Fabry-Perot (FP). Metóda elektrickej spätnej väzby využívala hlavne spätnú väzbu stabilizácie frekvencie Pond-Drever-Hall na zníženie šírky laserového čiarového signálu svetelného zdroja. V roku 2010 Bernhardi a kol. vyrobili 1 cm erbiom dopovaného oxidu hlinitého FBG na substráte z oxidu kremičitého, aby získali laserový výstup so šírkou čiary približne 1,7 kHz. V tom istom roku Liang a kol. použil spätnú väzbu samoinjektovania spätného Rayleighovho rozptylu vytvoreného rezonátorom s vysokou Q ozvenovou stenou pre kompresiu šírky čiary polovodičového laseru, ako je znázornené na obrázku 1, a nakoniec získal laserový výstup s úzkou šírkou čiary 160 Hz.
Obr. 1 (a) Schéma kompresie šírky čiary polovodičového laseru na základe Rayleighovho rozptylu s vlastnou injekciou externého rezonátora v móde šepkajúcej galérie;
(b) Frekvenčné spektrum voľne bežiaceho polovodičového laseru so šírkou čiary 8 MHz;
(c) Frekvenčné spektrum laseru so šírkou čiary komprimovanou na 160 Hz
2.1.2 Vláknový laser s úzkou šírkou čiary
Pri lineárnych vláknových laseroch sa úzky laserový výstup s jedným pozdĺžnym módom dosahuje skrátením dĺžky rezonátora a zvýšením intervalu pozdĺžneho módu. V roku 2004 Spiegelberg a kol. získali úzky laserový výstup s jedným pozdĺžnym módom a šírkou čiary 2 kHz pomocou metódy krátkej dutiny DBR. V roku 2007 Shen a kol. použili 2 cm silne dopované kremíkové vlákno dopované erbiom na záznam FBG na fotocitlivé vlákno dopované Bi-Ge a spojili ho s aktívnym vláknom, čím vytvorili kompaktnú lineárnu dutinu, čím sa šírka laserového výstupu zmenšila na menej ako 1 kHz. V roku 2010 Yang a kol. použili 2 cm silne dopovanú krátku lineárnu dutinu v kombinácii s úzkopásmovým FBG filtrom na získanie laserového výstupu s jedným pozdĺžnym módom a šírkou čiary menšou ako 2 kHz. V roku 2014 tím použil krátku lineárnu dutinu (virtuálny zložený prstencový rezonátor) v kombinácii s filtrom FBG-FP na dosiahnutie laserového výstupu s užšou šírkou čiary, ako je znázornené na obrázku 3. V roku 2012 Cai a kol. použili štruktúru s krátkou dutinou s dĺžkou 1,4 cm na dosiahnutie polarizačného laserového výstupu s výstupným výkonom väčším ako 114 mW, centrálnou vlnovou dĺžkou 1540,3 nm a šírkou čiary 4,1 kHz. V roku 2013 Meng a kol. použili Brillouinov rozptyl vlákna dopovaného erbiom s krátkou prstencovou dutinou zariadenia s plným predpätím na dosiahnutie laserového výstupu s jedným pozdĺžnym módom a nízkym fázovým šumom s výstupným výkonom 10 mW. V roku 2015 tím použil prstencovú dutinu zloženú z vlákna dopovaného erbiom s dĺžkou 45 cm ako zosilňovacie médium Brillouinovho rozptylu na dosiahnutie laserového výstupu s nízkym prahom a úzkou šírkou čiary.
Obr. 2 (a) Schematický nákres vláknového laseru SLC;
(b) Tvar čiary heterodynového signálu meraného s oneskorením vlákna 97,6 km
Čas uverejnenia: 20. novembra 2023