Technológia laserových zdrojov preoptické vláknosnímanie prvej časti
Technológia snímania optických vlákien je druh technológie snímania vyvinutej spolu s technológiou optických vlákien a komunikačnou technológiou optických vlákien a stal sa jedným z najaktívnejších odvetví fotoelektrickej technológie. Systém snímania optických vlákien pozostáva hlavne z lasera, prenosového vlákna, snímacieho prvku alebo modulačnej oblasti, detekcie svetla a ďalších častí. Parametre popisujúce charakteristiky svetelnej vlny zahŕňajú intenzitu, vlnovú dĺžku, fázu, stav polarizácie atď. Tieto parametre môžu byť zmenené vonkajšími vplyvmi pri prenose optickým vláknom. Napríklad, keď teplota, napätie, tlak, prúd, posunutie, vibrácie, rotácia, ohyb a chemické množstvo ovplyvňujú optickú dráhu, tieto parametre sa zodpovedajúcim spôsobom zmenia. Snímanie optických vlákien je založené na vzťahu medzi týmito parametrami a vonkajšími faktormi na detekciu zodpovedajúcich fyzikálnych veličín.
Existuje mnoho druhovlaserový zdrojpoužívané v systémoch snímania optických vlákien, ktoré možno rozdeliť do dvoch kategórií: koherentnélaserové zdrojea nekoherentné zdroje svetla, nekoherentnésvetelné zdrojezahŕňajú najmä žiarovkové svetlo a diódy vyžarujúce svetlo a koherentné zdroje svetla zahŕňajú pevné lasery, kvapalinové lasery, plynové lasery,polovodičový laseravláknový laser. Nasledujúce je hlavne prelaserový svetelný zdrojširoko používaný v oblasti snímania vlákien v posledných rokoch: jednofrekvenčný laser s úzkou šírkou čiary, frekvenčný laser s jednou vlnovou 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 zdroja laserového svetla, ako je stabilita výkonu, šírka laserovej čiary, fázový šum a ďalšie parametre na detekčnej vzdialenosti systému snímania optických vlákien, detekcia presnosť, citlivosť a šumové charakteristiky zohrávajú rozhodujúcu úlohu. V posledných rokoch s rozvojom diaľkových snímacích systémov optických vlákien s ultravysokým rozlíšením, akademická obec a priemysel predložili prísnejšie požiadavky na výkon laserovej miniaturizácie v šírke čiary, najmä v oblasti: Technológia optického frekvenčného odrazu (OFDR) využíva koherentné technológia detekcie na analýzu spätne rozptýlených signálov optických vlákien vo frekvenčnej oblasti 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 aplikačnými perspektívami v distribuovanej technológii merania a snímania optických vlákien. Jadrom technológie OFDR je použitie laditeľného svetelného zdroja na dosiahnutie ladenia optickej frekvencie, takže výkon laserového zdroja určuje kľúčové faktory, ako je rozsah detekcie OFDR, citlivosť a rozlíšenie. Keď je vzdialenosť bodu odrazu blízka dĺžke koherencie, intenzita signálu úderu bude exponenciálne zoslabená koeficientom τ/τc. Pre Gaussov svetelný zdroj so spektrálnym tvarom, aby sa zabezpečilo, že frekvencia úderov má viac ako 90% viditeľnosť, vzťah medzi šírkou čiary svetelného zdroja a maximálnou dĺžkou snímania, ktorú môže systém dosiahnuť, je Lmax~0,04vg /f, čo znamená, že pre vlákno s dĺžkou 80 km je šírka čiary svetelného zdroja menšia ako 100 Hz. Vývoj ďalších aplikácií navyše kladie vyššie požiadavky na šírku svetelného zdroja. Napríklad v systéme hydrofónov s optickými vláknami šírka svetelného zdroja určuje šum systému a tiež určuje minimálny merateľný signál systému. V Brillouinovej optickej časovej doméne reflektora (BOTDR) je rozlíšenie merania teploty a napätia určené hlavne šírkou svetelného zdroja. V gyroskope s rezonátorovým optickým vláknom je možné zvýšiť koherentnú dĺžku svetelnej vlny znížením šírky čiary svetelného zdroja, čím sa zlepší jemnosť a hĺbka rezonancie rezonátora, zníži sa šírka čiary rezonátora a zabezpečí sa meranie. presnosť gyroskopu z optických vlákien.
1.2 Požiadavky na zdroje sweep lasera
Zametací laser s jednou vlnovou dĺžkou má flexibilné ladenie vlnovej dĺžky, môže nahradiť lasery s viacerými výstupmi s pevnou vlnovou dĺžkou, znížiť náklady na konštrukciu systému, je nevyhnutnou súčasťou systému snímania optických vlákien. Napríklad pri snímaní vlákien stopového plynu majú rôzne druhy plynov rôzne vrcholy absorpcie plynu. Aby sa zabezpečila účinnosť absorpcie svetla pri dostatočnom množstve meraného plynu a dosiahla sa vyššia citlivosť merania, je potrebné zosúladiť vlnovú dĺžku transmisného svetelného zdroja s absorpčným vrcholom molekuly plynu. Typ plynu, ktorý možno detegovať, je v podstate určený vlnovou dĺžkou snímaného svetelného zdroja. Preto majú lasery s úzkou šírkou čiary so stabilným širokopásmovým ladiacim výkonom vyššiu flexibilitu merania v takýchto snímacích systémoch. Napríklad v niektorých distribuovaných systémoch na snímanie optických vlákien založených na odraze optickej frekvenčnej domény je potrebné, aby sa laser rýchlo periodicky zametal, aby sa dosiahla vysoko presná koherentná detekcia a demodulácia optických signálov, takže rýchlosť modulácie laserového zdroja má relatívne vysoké požiadavky. a rýchlosť zametania nastaviteľného lasera je zvyčajne potrebná na dosiahnutie 10 pm/μs. Okrem toho môže byť laser s úzkou šírkou čiary s nastaviteľnou vlnovou dĺžkou široko používaný v liDAR, laserovom diaľkovom snímaní a spektrálnej analýze s vysokým rozlíšením a iných snímacích poliach. Aby sa splnili požiadavky na vysoké výkonové parametre ladiacej šírky pásma, presnosti ladenia a rýchlosti ladenia jednovlnových laserov v oblasti snímania vlákien, celkovým cieľom štúdia laditeľných úzkopásmových vláknových laserov v posledných rokoch je dosiahnuť vysoko- presné ladenie vo väčšom rozsahu vlnových dĺžok na základe sledovania ultra úzkej šírky laserovej čiary, ultranízkeho fázového šumu a ultrastabilnej výstupnej frekvencie a výkonu.
1.3 Dopyt po zdroji bieleho laserového svetla
V oblasti optického snímania má pre zlepšenie výkonu systému veľký význam vysokokvalitný laser s bielym svetlom. Čím širšie je spektrum pokrytia laserom s bielym svetlom, tým rozsiahlejšie je jeho použitie v systéme snímania optických vlákien. Napríklad pri použití vláknovej Braggovej mriežky (FBG) na vytvorenie siete senzorov by sa na demoduláciu mohla použiť spektrálna analýza alebo metóda prispôsobenia laditeľného filtra. Prvý z nich použil spektrometer na priame testovanie každej rezonančnej vlnovej dĺžky FBG v sieti. Ten 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 určitú stratu vloženia a má šírku pásma viac ako 0,1 nm, súčasná demodulácia viacerých FBG vyžaduje širokopásmový svetelný zdroj s vysokým výkonom a veľkou šírkou pásma. Napríklad pri použití vláknovej mriežky s dlhou periódou (LPFG) na snímanie, keďže šírka pásma s jedným stratovým vrcholom je rádovo 10 nm, je potrebný širokospektrálny svetelný zdroj s dostatočnou šírkou pásma a relatívne plochým spektrom na presnú charakterizáciu jeho rezonancie. špičkové charakteristiky. Najmä mriežka z akustických vlákien (AIFG) skonštruovaná s využitím akusticko-optického efektu môže dosiahnuť rozsah ladenia rezonančnej vlnovej dĺžky až do 1000 nm pomocou elektrického ladenia. Testovanie dynamickej mriežky s takým ultra širokým rozsahom ladenia preto predstavuje veľkú výzvu pre rozsah šírky pásma širokospektrálneho svetelného zdroja. Podobne sa v posledných rokoch v oblasti snímania vlákien vo veľkej miere používa aj šikmá Braggova vláknitá mriežka. Vďaka charakteristikám spektra s viacerými vrcholmi môže rozsah distribúcie vlnových dĺžok zvyčajne dosiahnuť 40 nm. Jeho snímacím mechanizmom je zvyčajne porovnávanie relatívneho pohybu medzi viacerými prenosovými špičkami, takže je potrebné kompletne zmerať jeho prenosové spektrum. Šírka pásma a výkon širokospektrálneho svetelného zdroja musia byť vyššie.
2. Stav výskumu doma av zahraničí
2.1 Zdroj laserového svetla s úzkou šírkou čiary
2.1.1 Polovodičový laser s distribuovanou spätnou väzbou s úzkou šírkou čiary
V roku 2006 Cliche a spol. zmenšila MHz stupnicu polovodičaDFB laser(laser s distribuovanou spätnou väzbou) na stupnici kHz s použitím metódy elektrickej spätnej väzby; V roku 2011 Kessler a spol. použitá nízkoteplotná a vysoko stabilná monokryštálová dutina kombinovaná s aktívnou spätnou väzbou na získanie laserového výstupu s ultra-úzkou šírkou čiary 40 MHz; Peng a kol. Metóda elektrickej spätnej väzby využívala hlavne spätnú väzbu stabilizácie frekvencie Pond-Drever-Hall, aby sa zmenšila šírka laserovej čiary svetelného zdroja. V roku 2010 Bernhardi a spol. vyrobili 1 cm erbiom dopovaného oxidu hlinitého FBG na substráte z oxidu kremičitého, aby sa získal laserový výstup so šírkou čiary približne 1,7 kHz. V tom istom roku Liang a spol. použili spätnú väzbu spätného vstrekovania spätného Rayleighovho rozptylu tvorenú rezonátorom steny s vysokou Q ozvenou na kompresiu šírky polovodičového lasera, ako je znázornené na obrázku 1, a nakoniec získali laserový výstup s úzkou šírkou čiary 160 Hz.
Obr. 1 (a) Schéma kompresie šírky polovodičového lasera založenej na samoinjikovaní Rayleighovho rozptylu externého rezonátora v režime šepkajúcej galérie;
(b) Frekvenčné spektrum voľnobežného polovodičového lasera so šírkou čiary 8 MHz;
(c) Frekvenčné spektrum lasera so šírkou čiary stlačenou na 160 Hz
2.1.2 Vláknový laser s úzkou šírkou čiary
Pre lasery s lineárnymi dutinami sa výstup lasera s úzkou šírkou čiary v jednom pozdĺžnom režime získa skrátením dĺžky rezonátora a zvýšením intervalu pozdĺžneho režimu. V roku 2004 Spiegelberg a spol. získali laserový výstup s úzkou šírkou čiary v jednom pozdĺžnom režime so šírkou čiary 2 kHz pomocou metódy krátkej dutiny DBR. V roku 2007 Shen a spol. použil 2 cm silne erbiom dopované kremíkové vlákno na zápis FBG na fotosenzitívne vlákno dopované Bi-Ge a spojil ho s aktívnym vláknom, aby vytvoril kompaktnú lineárnu dutinu, vďaka čomu je šírka jeho laserovej výstupnej čiary menšia ako 1 kHz. V roku 2010 Yang a spol. použili 2 cm vysoko dotovanú krátku lineárnu dutinu kombinovanú s úzkopásmovým FBG filtrom na získanie laserového výstupu s jedným pozdĺžnym režimom so šírkou čiary menšou ako 2 kHz. V roku 2014 tím použil krátku lineárnu dutinu (virtuálny skladaný prstencový rezonátor) kombinovanú s FBG-FP filtrom na získanie laserového výstupu s užšou šírkou čiary, ako je znázornené na obrázku 3. V roku 2012 Cai et al. použil 1,4 cm štruktúru s krátkou dutinou na získanie výstupu polarizačného lasera s výstupným výkonom vyšším ako 114 mW, strednou vlnovou dĺžkou 1540,3 nm a šírkou čiary 4,1 kHz. V roku 2013 Meng a spol. použil Brillouinov rozptyl vlákna dopovaného erbiom s krátkou prstencovou dutinou zariadenia na ochranu predpätia, aby sa získal laserový výstup s jedným pozdĺžnym režimom a nízkofázovým šumom s výstupným výkonom 10 mW. V roku 2015 tím použil prstencovú dutinu zloženú zo 45 cm vlákna dopovaného erbiom ako médium na získanie rozptylu Brillouin na získanie nízkeho prahu a laserového výstupu s úzkou šírkou čiary.
Obr. 2 (a) Schematický nákres vláknového lasera SLC;
(b) Tvar čiary heterodynového signálu meraný s oneskorením vlákna 97,6 km
Čas odoslania: 20. novembra 2023