Technologia źródła laserowego dlawłókno optycznewyczuwanie Część pierwsza
Technologia czujników światłowodowych to rodzaj technologii czujników rozwijany wraz z technologią światłowodów i technologią komunikacji światłowodowej, który stał się jedną z najprężniej rozwijających się gałęzi technologii fotoelektrycznej. System czujników światłowodowych składa się głównie z lasera, włókna transmisyjnego, elementu czujnikowego lub obszaru modulacji, detektora światła i innych części. Parametry opisujące charakterystykę fali świetlnej obejmują natężenie, długość fali, fazę, stan polaryzacji itp. Parametry te mogą ulegać zmianie pod wpływem czynników zewnętrznych wpływających na transmisję światłowodową. Na przykład, gdy temperatura, naprężenie, ciśnienie, prąd, przemieszczenie, wibracje, obrót, zginanie i ilość substancji chemicznej wpływają na ścieżkę optyczną, parametry te odpowiednio się zmieniają. Czujniki światłowodowe opierają się na relacji między tymi parametrami a czynnikami zewnętrznymi w celu wykrywania odpowiadających im wielkości fizycznych.
Istnieje wiele rodzajówźródło laserowestosowane w systemach czujników światłowodowych, które można podzielić na dwie kategorie: koherentneźródła laserowei niespójne źródła światła, niespójneźródła światłaobejmują głównie żarówki żarowe i diody elektroluminescencyjne, a źródła światła spójnego obejmują lasery stałe, lasery cieczowe, lasery gazowe,laser półprzewodnikowyIlaser światłowodowy. Poniższe informacje dotyczą głównieźródło światła laserowegoW ostatnich latach szeroko stosowane w dziedzinie czujników światłowodowych: lasery jednoczęstotliwościowe o wąskiej szerokości linii, lasery o pojedynczej długości fali i laser biały.
1.1 Wymagania dotyczące wąskiej szerokości liniiźródła światła laserowego
Systemu czujników światłowodowych nie można oddzielić od źródła laserowego, ponieważ mierzona fala nośna sygnału, wydajność samego źródła światła laserowego, taka jak stabilność mocy, szerokość linii lasera, szum fazowy i inne parametry wpływające na odległość wykrywania systemu czujników światłowodowych, dokładność wykrywania, czułość i charakterystykę szumów odgrywają decydującą rolę. W ostatnich latach, wraz z rozwojem dalekosiężnych systemów czujników światłowodowych o ultrawysokiej rozdzielczości, środowisko akademickie i przemysł wysunęły bardziej rygorystyczne wymagania dotyczące wydajności szerokości linii miniaturyzacji laserów, głównie w: technologii odbicia w domenie częstotliwości (OFDR) wykorzystuje technologię detekcji koherentnej do analizy rozproszonych sygnałów wstecznego promieniowania (backrayleigh) światłowodów w domenie częstotliwości, z szerokim zasięgiem (tysiące metrów). Zalety wysokiej rozdzielczości (rozdzielczość na poziomie milimetra) i wysokiej czułości (do -100 dBm) stały się jedną z technologii o szerokich perspektywach zastosowania w rozproszonej technologii pomiaru i wykrywania światłowodów. Podstawą technologii OFDR jest wykorzystanie przestrajalnego źródła światła w celu uzyskania dostrojenia częstotliwości optycznej, dzięki czemu wydajność źródła laserowego decyduje o kluczowych czynnikach, takich jak zasięg detekcji OFDR, czułość i rozdzielczość. Gdy odległość od punktu odbicia jest bliska długości koherencji, intensywność sygnału dudnień będzie wykładniczo tłumiona przez współczynnik τ/τc. W przypadku gaussowskiego źródła światła o kształcie widmowym, aby zapewnić widoczność częstotliwości dudnień na poziomie ponad 90%, zależność między szerokością linii źródła światła a maksymalną długością wykrywania, jaką może osiągnąć system, wynosi Lmax~0,04vg/f, co oznacza, że dla włókna o długości 80 km szerokość linii źródła światła jest mniejsza niż 100 Hz. Ponadto rozwój innych zastosowań również stawia wyższe wymagania dotyczące szerokości linii źródła światła. Na przykład w systemie hydrofonów światłowodowych szerokość linii źródła światła decyduje o szumie systemu, a także o minimalnym mierzalnym sygnale systemu. W optycznym reflektorze domeny czasu Brillouina (BOTDR) rozdzielczość pomiaru temperatury i naprężeń jest głównie uzależniona od szerokości linii źródła światła. W rezonatorze światłowodowym żyroskopu długość koherencji fali świetlnej można zwiększyć poprzez zmniejszenie szerokości linii źródła światła, co poprawia precyzję i głębokość rezonansu rezonatora, zmniejsza szerokość linii rezonatora i zapewnia dokładność pomiaru żyroskopu światłowodowego.
1.2 Wymagania dotyczące źródeł laserowych zamiatających
Laser o pojedynczej długości fali charakteryzuje się elastyczną funkcją strojenia długości fali, może zastąpić wiele laserów wyjściowych o stałej długości fali, obniżając koszty budowy systemu i stanowiąc niezbędny element światłowodowych systemów detekcyjnych. Na przykład, w światłowodowych systemach detekcyjnych wykorzystujących gaz śladowy, różne rodzaje gazów charakteryzują się różnymi pikami absorpcji. Aby zapewnić wydajność absorpcji światła przy wystarczającej ilości gazu pomiarowego i uzyskać wyższą czułość pomiaru, konieczne jest dopasowanie długości fali źródła światła transmisyjnego do piku absorpcji cząsteczki gazu. Rodzaj wykrywanego gazu jest zasadniczo determinowany przez długość fali źródła światła pomiarowego. Dlatego lasery o wąskiej szerokości linii ze stabilną szerokopasmową funkcją strojenia charakteryzują się większą elastycznością pomiaru w takich systemach detekcyjnych. Na przykład, w niektórych rozproszonych światłowodowych systemach detekcyjnych opartych na odbiciu w dziedzinie częstotliwości optycznych, laser musi być okresowo szybko przemiatany, aby uzyskać precyzyjną, spójną detekcję i demodulację sygnałów optycznych. Dlatego też szybkość modulacji źródła laserowego ma stosunkowo wysokie wymagania, a prędkość przemiatania regulowanego lasera zazwyczaj wynosi 10 pm/μs. Ponadto, lasery światłowodowe o wąskiej szerokości fali i regulowanej długości fali mogą być szeroko stosowane w lidarach, laserowym teledetekcji, analizie widmowej o wysokiej rozdzielczości oraz innych dziedzinach detekcji. Aby spełnić wymagania dotyczące wysokich parametrów strojenia, takich jak szerokość pasma, dokładność strojenia i szybkość strojenia laserów jednodługościowych w dziedzinie detekcji światłowodowej, głównym celem badań nad laserami światłowodowymi o wąskiej szerokości fali i regulowanymi długościami fali w ostatnich latach jest osiągnięcie wysokiej precyzji strojenia w szerszym zakresie długości fali, w oparciu o dążenie do ultrawąskiej szerokości linii lasera, ultraniskiego szumu fazowego oraz ultrastabilnej częstotliwości i mocy wyjściowej.
1.3 Zapotrzebowanie na białe źródło światła laserowego
W dziedzinie czujników optycznych wysokiej jakości laser białego światła ma ogromne znaczenie dla poprawy wydajności systemu. Im szersze spektrum lasera białego światła, tym szersze jego zastosowanie w światłowodowych systemach czujników. Na przykład, wykorzystując światłowodową siatkę Bragga (FBG) do budowy sieci czujników, do demodulacji można zastosować analizę widmową lub metodę dopasowania filtra strojonego. Pierwsza z nich wykorzystywała spektrometr do bezpośredniego testowania każdej rezonansowej długości fali FBG w sieci. Druga wykorzystywała filtr referencyjny do śledzenia i kalibracji FBG w czujniku, przy czym obie metody wymagały szerokopasmowego źródła światła jako źródła światła testowego dla FBG. Ponieważ każda sieć dostępowa FBG będzie charakteryzować się pewną tłumienność wtrąceniową i ma szerokość pasma powyżej 0,1 nm, jednoczesna demodulacja wielu FBG wymaga szerokopasmowego źródła światła o dużej mocy i szerokości pasma. Na przykład, w przypadku stosowania długookresowej siatki światłowodowej (LPFG) do pomiaru, ponieważ szerokość pasma pojedynczego piku strat jest rzędu 10 nm, wymagane jest źródło światła o szerokim spektrum, wystarczającej szerokości pasma i stosunkowo płaskim widmie, aby dokładnie scharakteryzować jego rezonansowe charakterystyki szczytowe. W szczególności akustyczna siatka światłowodowa (AIFG) zbudowana z wykorzystaniem efektu akustooptycznego może osiągnąć zakres strojenia długości fali rezonansowej do 1000 nm poprzez strojenie elektryczne. Dlatego też, dynamiczne testowanie siatki z tak ultraszerokim zakresem strojenia stanowi duże wyzwanie dla zakresu pasma źródła światła o szerokim spektrum. Podobnie, w ostatnich latach pochylona siatka światłowodowa Bragga jest również szeroko stosowana w dziedzinie pomiaru światłowodowego. Ze względu na wieloszczytową charakterystykę widma strat, zakres rozkładu długości fali może zazwyczaj sięgać 40 nm. Jej mechanizm wykrywania polega zazwyczaj na porównywaniu względnego ruchu wielu pików transmisyjnych, dlatego konieczne jest pełne zmierzenie jej widma transmisyjnego. Wymagana jest większa szerokość pasma i moc szerokospektralnego źródła światła.
2. Stan badań w kraju i za granicą
2.1 Źródło światła laserowego o wąskiej szerokości linii
2.1.1 Laser półprzewodnikowy o wąskiej szerokości linii i rozproszonym sprzężeniu zwrotnym
W 2006 roku Cliche i in. zredukowali skalę MHz półprzewodnikówLaser DFB(laser ze sprzężeniem zwrotnym) do skali kHz przy użyciu metody sprzężenia zwrotnego elektrycznego; W 2011 roku Kessler i in. zastosowali monokrystaliczną wnękę o niskiej temperaturze i wysokiej stabilności połączoną z aktywną kontrolą sprzężenia zwrotnego, aby uzyskać ultrawąską szerokość linii wyjściowej lasera 40 MHz; W 2013 roku Peng i in. uzyskali wyjście lasera półprzewodnikowego o szerokości linii 15 kHz, stosując metodę zewnętrznej regulacji sprzężenia zwrotnego Fabry'ego-Perota (FP). Metoda sprzężenia zwrotnego elektrycznego wykorzystywała głównie sprzężenie zwrotne stabilizacji częstotliwości Pond-Drevera-Halla, aby zmniejszyć szerokość linii lasera źródła światła. W 2010 roku Bernhardi i in. wytworzyli 1 cm FBG z tlenku glinu domieszkowanego erbem na podłożu z tlenku krzemu, aby uzyskać wyjście lasera o szerokości linii około 1,7 kHz. W tym samym roku Liang i in. wykorzystano sprzężenie zwrotne z samowstrzyknięciem wstecznego rozpraszania Rayleigha utworzonego przez rezonator ścienny echa o wysokiej dobroci do kompresji szerokości linii lasera półprzewodnikowego, jak pokazano na rysunku 1, i ostatecznie uzyskano wyjście lasera o wąskiej szerokości linii wynoszącej 160 Hz.
Rys. 1 (a) Schemat kompresji szerokości linii lasera półprzewodnikowego oparty na rozpraszaniu Rayleigha z samowstrzyknięciem zewnętrznego rezonatora trybu galerii szepczącej;
(b) Widmo częstotliwości swobodnie poruszającego się lasera półprzewodnikowego o szerokości linii 8 MHz;
(c) Widmo częstotliwości lasera o szerokości linii skompresowanej do 160 Hz
2.1.2 Laser światłowodowy o wąskiej szerokości linii
W przypadku laserów światłowodowych z liniową wnęką rezonansową, wąska szerokość linii wyjściowej lasera pojedynczego modu podłużnego jest uzyskiwana poprzez skrócenie długości rezonatora i zwiększenie interwału modu podłużnego. W 2004 roku Spiegelberg i in. uzyskali pojedynczy laser o wąskiej szerokości linii wyjściowej z modu podłużnego o szerokości linii 2 kHz, stosując metodę DBR krótkiej wnęki rezonansowej. W 2007 roku Shen i in. użyli 2 cm włókna krzemowego silnie domieszkowanego erbem do zapisu FBG na współdomieszkowanym włóknie światłoczułym Bi-Ge i połączyli je z aktywnym włóknem, tworząc zwartą wnękę liniową, dzięki czemu szerokość linii wyjściowej lasera była mniejsza niż 1 kHz. W 2010 roku Yang i in. użyli 2 cm silnie domieszkowanej krótkiej wnęki liniowej połączonej z wąskopasmowym filtrem FBG, aby uzyskać pojedynczy laser o modzie podłużnym o szerokości linii mniejszej niż 2 kHz. W 2014 roku zespół wykorzystał krótką liniową wnękę (wirtualny rezonator pierścieniowy) połączoną z filtrem FBG-FP, aby uzyskać wyjście lasera o węższej szerokości linii, jak pokazano na rysunku 3. W 2012 roku Cai i in. wykorzystali strukturę krótkiej wnęki o długości 1,4 cm, aby uzyskać polaryzujące wyjście lasera o mocy wyjściowej większej niż 114 mW, centralnej długości fali 1540,3 nm i szerokości linii 4,1 kHz. W 2013 roku Meng i in. wykorzystali rozpraszanie Brillouina włókna domieszkowanego erbem z krótką wnęką pierścieniową urządzenia zachowującego pełne polaryzacja, aby uzyskać wyjście lasera z pojedynczym trybem podłużnym i niskim szumem fazowym o mocy wyjściowej 10 mW. W 2015 roku zespół wykorzystał wnękę pierścieniową złożoną z włókna domieszkowanego erbem o długości 45 cm jako ośrodek wzmocnienia rozpraszania Brillouina, aby uzyskać wyjście lasera o niskim progu i wąskiej szerokości linii.
Rys. 2 (a) Schematyczny rysunek lasera światłowodowego SLC;
(b) Kształt linii sygnału heterodynowego zmierzony z opóźnieniem włókna 97,6 km
Czas publikacji: 20-11-2023