Technologia źródła laserowego dlawłókno optycznewyczuwanie Część pierwsza
Technologia wykrywania światłowodów to rodzaj technologii wykrywania opracowany wraz z technologią światłowodów i technologią komunikacji światłowodowej, i stała się jedną z najbardziej aktywnych gałęzi technologii fotoelektrycznej. System wykrywania światłowodów składa się głównie z lasera, włókna transmisyjnego, elementu wykrywającego lub obszaru modulacji, wykrywania światła i innych części. Parametry opisujące charakterystykę fali świetlnej obejmują intensywność, długość fali, fazę, stan polaryzacji itp. Parametry te mogą być zmieniane przez wpływy zewnętrzne w transmisji światłowodowej. Na przykład, gdy temperatura, odkształcenie, ciśnienie, prąd, przemieszczenie, wibracje, obrót, zginanie i ilość chemiczna wpływają na ścieżkę optyczną, parametry te odpowiednio się zmieniają. Wykrywanie światłowodów opiera się na relacji między tymi parametrami a czynnikami zewnętrznymi w celu wykrycia odpowiednich wielkości fizycznych.
Istnieje wiele rodzajówźródło laserowestosowane w systemach czujników światłowodowych, które można podzielić na dwie kategorie: koherentneźródła laserowei niespójne źródła światła, niespójneźródła światłaobejmują głównie światło żarowe i diody elektroluminescencyjne, a źródła światła spójnego obejmują lasery stałe, lasery ciekłe, lasery gazowe,laser półprzewodnikowyIlaser światłowodowy. Poniższe informacje dotyczą głównieźródło światła laserowegoW ostatnich latach szeroko stosowane w dziedzinie czujników światłowodowych: laser jednoczęstotliwościowy o wąskiej szerokości linii, laser o pojedynczej długości fali i laser biały.
1.1 Wymagania dotyczące wąskiej szerokości liniiźródła światła laserowego
System wykrywania światłowodów nie może być oddzielony 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 w odległości wykrywania systemu wykrywania światłowodów, dokładność wykrywania, czułość i charakterystyka szumu odgrywają decydującą rolę. W ostatnich latach, wraz z rozwojem dalekosiężnych systemów wykrywania światłowodów o ultrawysokiej rozdzielczości, środowisko akademickie i przemysł przedstawiły bardziej rygorystyczne wymagania dotyczące wydajności szerokości linii miniaturyzacji lasera, głównie w: technologii odbicia w domenie częstotliwości optycznej (OFDR) wykorzystuje technologię spójnego wykrywania do analizy rozproszonych sygnałów wstecznego promieniowania 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 dostrajalnego źródła światła w celu uzyskania dostrojenia częstotliwości optycznej, więc wydajność źródła laserowego określa kluczowe czynniki, takie jak zasięg wykrywania OFDR, czułość i rozdzielczość. Gdy odległość punktu odbicia jest bliska długości koherencji, intensywność sygnału dudnienia będzie wykładniczo tłumiona przez współczynnik τ/τc. W przypadku źródła światła Gaussa o kształcie widmowym, aby zapewnić widoczność częstotliwości dudnienia w ponad 90%, zależność między szerokością linii źródła światła a maksymalną długością wykrywania, jaką może osiągnąć system, wynosi Lmax~0,04vg/f, co oznacza, że w przypadku 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 hydrofonu światłowodowego szerokość linii źródła światła określa szum systemu, a także określa minimalny mierzalny sygnał systemu. W reflektorze Brillouina w dziedzinie czasu optycznego (BOTDR) rozdzielczość pomiaru temperatury i naprężeń jest głównie określana przez szerokość linii źródła światła. W rezonatorze światłowodowym żyroskopu długość koherencji fali świetlnej można zwiększyć, zmniejszając szerokość linii źródła światła, co poprawia delikatność i głębokość rezonansu rezonatora, zmniejszając szerokość linii rezonatora i zapewniając dokładność pomiaru żyroskopu światłowodowego.
1.2 Wymagania dla źródeł laserowych typu sweep
Pojedynczy laser o zmiennej długości fali ma elastyczną wydajność strojenia długości fali, może zastąpić wiele wyjściowych laserów o stałej długości fali, obniżyć koszty budowy systemu, jest niezbędną częścią systemu wykrywania światłowodów. Na przykład w przypadku wykrywania światłowodów gazowych różne rodzaje gazów mają różne piki absorpcji gazu. Aby zapewnić wydajność absorpcji światła, gdy gaz pomiarowy jest wystarczający i osiągnąć wyższą czułość pomiaru, konieczne jest wyrównanie długości fali źródła światła transmisyjnego ze szczytem absorpcji cząsteczki gazu. Rodzaj gazu, który można wykryć, jest zasadniczo określany przez długość fali źródła światła wykrywającego. Dlatego lasery o wąskiej szerokości linii ze stabilną wydajnością strojenia szerokopasmowego mają większą elastyczność pomiaru w takich systemach wykrywania. Na przykład w niektórych rozproszonych systemach wykrywania światłowodów opartych na odbiciu domeny częstotliwości optycznej laser musi być szybko okresowo przeszukiwany, aby osiągnąć wysoce precyzyjną koherentną detekcję i demodulację sygnałów optycznych, więc szybkość modulacji źródła laserowego ma stosunkowo wysokie wymagania, a prędkość przeszukiwania regulowanego lasera jest zwykle wymagana do osiągnięcia 10 pm/μs. Ponadto, laser o wąskiej szerokości linii i regulowanej długości fali może być szeroko stosowany w lidarach, laserowym zdalnym wykrywaniu i analizie widmowej o wysokiej rozdzielczości oraz innych dziedzinach wykrywania. Aby spełnić wymagania dotyczące parametrów wysokiej wydajności, szerokości pasma strojenia, dokładności strojenia i szybkości strojenia laserów o pojedynczej długości fali w dziedzinie wykrywania światłowodów, ogólnym celem badania laserów światłowodowych o wąskiej szerokości i regulowanych długościach fali w ostatnich latach jest osiągnięcie precyzyjnego strojenia w szerszym zakresie długości fali na podstawie dążenia do ultrawąskiej szerokości linii lasera, ultraniskiego szumu fazowego i ultrastabilnej częstotliwości wyjściowej i mocy.
1.3 Zapotrzebowanie na białe źródło światła laserowego
W dziedzinie wykrywania optycznego wysokiej jakości laser białego światła ma ogromne znaczenie dla poprawy wydajności systemu. Im szersze jest spektrum lasera białego światła, tym bardziej rozległe jest jego zastosowanie w systemie wykrywania światłowodowego. Na przykład, podczas korzystania z kraty Bragga światłowodowej (FBG) do zbudowania sieci czujników, analiza widmowa lub metoda dopasowania filtra strojonego mogą być użyte do demodulacji. Pierwsza z nich używała spektrometru do bezpośredniego testowania każdej rezonansowej długości fali FBG w sieci. Druga używa filtra odniesienia do śledzenia i kalibracji FBG w wykrywaniu, z których oba wymagają szerokopasmowego źródła światła jako źródła światła testowego dla FBG. Ponieważ każda sieć dostępowa FBG będzie miała pewną stratę wstawiania i ma szerokość pasma większą niż 0,1 nm, jednoczesna demodulacja wielu FBG wymaga szerokopasmowego źródła światła o dużej mocy i dużej szerokości pasma. Na przykład, przy użyciu kratki światłowodowej o długim okresie (LPFG) do wykrywania, ponieważ szerokość pasma pojedynczego szczytu strat jest rzędu 10 nm, wymagane jest szerokie spektrum źródła światła o wystarczającej szerokości pasma i stosunkowo płaskim spektrum, aby dokładnie scharakteryzować jego rezonansowe charakterystyki szczytowe. W szczególności akustyczna kratka światłowodowa (AIFG) skonstruowana przy użyciu efektu akustooptycznego może osiągnąć zakres strojenia długości fali rezonansowej do 1000 nm za pomocą strojenia elektrycznego. Dlatego testowanie dynamicznej kratki z tak ultraszerokim zakresem strojenia stanowi duże wyzwanie dla zakresu szerokości pasma źródła światła o szerokim spektrum. Podobnie, w ostatnich latach pochylona kratka światłowodowa Bragga była również szeroko stosowana w dziedzinie wykrywania światłowodowego. Ze względu na charakterystykę widma strat wieloszczytowych, zakres rozkładu długości fali może zwykle osiągnąć 40 nm. Jej mechanizm wykrywania polega zwykle na porównywaniu względnego ruchu między wieloma szczytami transmisji, dlatego konieczne jest całkowite zmierzenie jej widma transmisji. Szerokość pasma i moc szerokospektralnego źródła światła muszą być wyższe.
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 rozproszonym) do skali kHz przy użyciu metody sprzężenia zwrotnego elektrycznego; W 2011 roku Kessler i in. zastosowali niskotemperaturową i wysoce stabilną wnękę monokrystaliczną w połączeniu z aktywną kontrolą sprzężenia zwrotnego, aby uzyskać ultrawąską linię wyjściową lasera o szerokości 40 MHz; W 2013 roku Peng i in. uzyskali półprzewodnikowy laser wyjściowy o szerokości linii 15 kHz przy użyciu metody zewnętrznej regulacji sprzężenia zwrotnego Fabry'ego-Perota (FP). Metoda sprzężenia zwrotnego elektrycznego wykorzystywała głównie sprzężenie zwrotne stabilizacji częstotliwości Pond-Drever-Hall, aby zmniejszyć szerokość linii lasera źródła światła. W 2010 roku Bernhardi i in. wyprodukowali 1 cm domieszkowanego erbem tlenku glinu FBG 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 Q 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 w oparciu o rozpraszanie 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, wąska linia wyjściowa lasera pojedynczego trybu podłużnego jest uzyskiwana przez skrócenie długości rezonatora i zwiększenie interwału trybu podłużnego. W 2004 r. Spiegelberg i in. uzyskali pojedynczy laser o wąskiej linii wyjściowej trybu podłużnego o szerokości linii 2 kHz, stosując metodę krótkiej wnęki DBR. W 2007 r. 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, aby utworzyć zwartą wnękę liniową, dzięki czemu szerokość linii wyjściowej lasera była mniejsza niż 1 kHz. W 2010 r. Yang i in. użyli 2 cm silnie domieszkowanej krótkiej wnęki liniowej połączonej z wąskopasmowym filtrem FBG, aby uzyskać pojedynczy laser o trybie podłużnym o szerokości linii mniejszej niż 2 kHz. W 2014 roku zespół użył krótkiej liniowej wnęki (wirtualny złożony rezonator pierścieniowy) połączonej z filtrem FBG-FP, aby uzyskać wyjście lasera o węższej szerokości linii, jak pokazano na rysunku 3. W 2012 roku Cai i in. użyli struktury krótkiej wnęki o długości 1,4 cm, aby uzyskać wyjście lasera polaryzującego 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. użyli rozpraszania Brillouina włókna domieszkowanego erbem z krótką wnęką pierścieniową urządzenia zachowującego pełne polaryzacja, aby uzyskać wyjście lasera o pojedynczym trybie podłużnym i niskim szumie fazowym o mocy wyjściowej 10 mW. W 2015 roku zespół użył wnęki pierścieniowej złożonej z włókna domieszkowanego erbem o długości 45 cm jako ośrodka 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 mierzony przy opóźnieniu włókna 97,6 km
Czas publikacji: 20-11-2023