Technologie laserového zdroje prooptické vláknosnímání, první část
Technologie snímání pomocí optických vláken je druh snímací technologie vyvinutý společně s technologií optických vláken a technologií optické komunikace a stala se jednou z nejaktivnějších větví fotoelektrické technologie. Systém snímání pomocí optických vláken se skládá hlavně z laseru, přenosového vlákna, snímacího prvku nebo modulační oblasti, detekce světla a dalších částí. Mezi parametry popisující vlastnosti světelné vlny patří intenzita, vlnová délka, fáze, stav polarizace atd. Tyto parametry se mohou měnit vnějšími vlivy při přenosu optickými vlákny. Například když teplota, deformace, tlak, proud, posunutí, vibrace, rotace, ohyb a chemické veličiny ovlivňují optickou dráhu, tyto parametry se odpovídajícím způsobem mění. Snímání pomocí optických vláken je založeno na vztahu mezi těmito parametry a vnějšími faktory pro detekci odpovídajících fyzikálních veličin.
Existuje mnoho druhůlaserový zdrojpoužívané v systémech snímání optických vláken, které lze rozdělit do dvou kategorií: koherentnílaserové zdrojea nekoherentní světelné zdroje, nekoherentnísvětelné zdrojezahrnují hlavně žárovky a světelné diody a koherentní zdroje světla zahrnují lasery na pevné látky, kapalné lasery, plynové lasery,polovodičový laseravláknový laserNásledující informace jsou určeny především prolaserový zdroj světlaV oblasti vláknové senzoriky se v posledních letech široce používají: jednofrekvenční laser s úzkou šířkou čáry, laser s rozmítanou frekvencí jedné vlnové délky a bílý laser.
1.1 Požadavky na úzkou šířku čárylaserové zdroje světla
Systém snímání optických vláken nelze oddělit od laserového zdroje, protože měřená nosná světelná vlna, samotný výkon laserového zdroje světla, jako je stabilita výkonu, šířka laserového pásma, fázový šum a další parametry ovlivňující detekční vzdálenost, přesnost detekce, citlivost a šumové charakteristiky systému snímání optických vláken, hrají rozhodující roli. V posledních letech s rozvojem systémů snímání optických vláken s ultravysokým rozlišením na dlouhé vzdálenosti, akademická obec a průmysl kladou přísnější požadavky na výkon šířky pásma u miniaturizace laserů, zejména v: technologii optického frekvenčního odrazu (OFDR) využívající koherentní detekční technologii k analýze signálů rozptýlených Rayleighovým vlněním optických vláken ve frekvenční doméně se širokým pokrytím (tisíce metrů). Výhody vysokého rozlišení (rozlišení na milimetrové úrovni) a vysoké citlivosti (až -100 dBm) se staly jednou z technologií s širokými perspektivami uplatnění v distribuované technologii měření a snímání optických vláken. Jádrem technologie OFDR je použití laditelného zdroje světla k dosažení optického ladění frekvence, takže výkon laserového zdroje určuje klíčové faktory, jako je detekční dosah, citlivost a rozlišení OFDR. Pokud se vzdálenost odrazového bodu blíží koherenční délce, intenzita signálu záblesků bude exponenciálně zeslabena koeficientem τ/τc. U gaussovského zdroje světla se spektrálním tvarem, aby byla zajištěna viditelnost frekvence záblesků více než 90 %, je vztah mezi šířkou čáry světelného zdroje a maximální snímací délkou, které systém může dosáhnout, Lmax~0,04vg/f, což znamená, že pro vlákno o délce 80 km je šířka čáry světelného zdroje menší než 100 Hz. Kromě toho vývoj dalších aplikací také klade vyšší požadavky na šířku čáry světelného zdroje. Například v systému optických hydrofonů určuje šířka čáry světelného zdroje šum systému a také určuje minimální měřitelný signál systému. V Brillouinově optickém reflektoru v časové doméně (BOTDR) je rozlišení měření teploty a napětí určeno hlavně šířkou čáry světelného zdroje. V rezonátorovém gyroskopu s optickými vlákny lze zvětšit koherenční délku světelné vlny zmenšením šířky čáry světelného zdroje, čímž se zlepší jemnost a hloubka rezonance rezonátoru, zmenší se šířka čáry rezonátoru a zajistí se přesnost měření gyroskopu s optickými vlákny.
1.2 Požadavky na zdroje rozmítaného laseru
Jednovlnný laser s rozmítáním má flexibilní ladění vlnové délky, může nahradit lasery s pevnou vlnovou délkou více výstupů, snižuje náklady na konstrukci systému a je nepostradatelnou součástí systému snímání optických vláken. Například při snímání stopových plynů vlákny mají různé druhy plynů různé absorpční vrcholy plynu. Aby byla zajištěna účinnost absorpce světla při dostatečném množství měřeného plynu a dosaženo vyšší citlivosti měření, je nutné sladit vlnovou délku procházejícího světelného zdroje s absorpčním vrcholem molekuly plynu. Typ plynu, který lze detekovat, je v podstatě určen vlnovou délkou snímacího světelného zdroje. Proto mají lasery s úzkou šířkou čáry a stabilním širokopásmovým laděním vyšší flexibilitu měření v takových snímacích systémech. Například v některých distribuovaných systémech snímání optických vláken založených na odrazu ve frekvenční doméně je nutné laser rychle periodicky rozmítávat, aby se dosáhlo vysoce přesné koherentní detekce a demodulace optických signálů, takže modulační rychlost laserového zdroje má relativně vysoké požadavky a rychlost rozmítání nastavitelného laseru obvykle dosahuje 10 pm/μs. Kromě toho lze laditelný laser s úzkou šířkou čáry široce používat také v liDARu, laserovém dálkovém průzkumu Země, spektrální analýze s vysokým rozlišením a dalších oblastech snímání. Aby bylo možné splnit požadavky na vysoce výkonné parametry ladění šířky pásma, přesnost ladění a rychlost ladění laserů s jednou vlnovou délkou v oblasti vláknového snímání, celkovým cílem studia laditelných vláknových laserů s úzkou šířkou čáry v posledních letech je dosáhnout vysoce přesného ladění ve větším rozsahu vlnových délek na základě snahy o ultraúzkou šířku laserového čáry, ultranízký fázový šum a ultrastabilní výstupní frekvenci a výkon.
1.3 Poptávka po zdroji bílého laserového světla
V oblasti optického snímání má vysoce kvalitní laser s bílým světlem velký význam pro zlepšení výkonu systému. Čím širší je spektrální pokrytí laseru s bílým světlem, tím rozsáhlejší je jeho uplatnění v systémech optického snímání. Například při použití vláknové Braggovy mřížky (FBG) pro konstrukci senzorové sítě lze pro demodulaci použít spektrální analýzu nebo metodu přizpůsobení laditelných filtrů. První metoda používá spektrometr k přímému testování každé rezonanční vlnové délky FBG v síti. Druhá metoda používá referenční filtr pro sledování a kalibraci FBG při snímání, přičemž obě metody vyžadují širokopásmový světelný zdroj jako testovací zdroj světla pro FBG. Protože každá přístupová síť FBG bude mít určitý vložný útlum a šířku pásma větší než 0,1 nm, vyžaduje simultánní demodulace více FBG širokopásmový světelný zdroj s vysokým výkonem a vysokou šířkou pásma. Například při použití dlouhoperiodické vláknové mřížky (LPFG) pro snímání je šířka pásma jednoho ztrátového píku řádově 10 nm, a proto je pro přesnou charakterizaci charakteristik jeho rezonančního píku zapotřebí širokospektrální světelný zdroj s dostatečnou šířkou pásma a relativně plochým spektrem. Zejména akustická vláknová mřížka (AIFG) konstruovaná s využitím akustooptického efektu může dosáhnout ladicího rozsahu rezonanční vlnové délky až 1000 nm pomocí elektrického ladění. Dynamické testování mřížek s takovým ultraširokým ladicím rozsahem proto představuje velkou výzvu pro rozsah šířky pásma širokospektrálního světelného zdroje. Podobně se v posledních letech v oblasti vláknové senzoriky široce používá také nakloněná Braggova vláknová mřížka. Díky svým charakteristikám vícepíkového ztrátového spektra může rozsah rozložení vlnových délek obvykle dosáhnout 40 nm. Jejím snímacím mechanismem je obvykle porovnání relativního pohybu mezi více přenosovými vrcholy, takže je nutné změřit jeho přenosové spektrum kompletně. Šířka pásma a výkon širokospektrálního světelného zdroje musí být vyšší.
2. Stav výzkumu doma i v zahraničí
2.1 Laserový zdroj světla s úzkou šířkou čáry
2.1.1 Polovodičový laser s úzkou šířkou čáry a distribuovanou zpětnou vazbou
V roce 2006 Cliche a kol. snížili MHz měřítko polovodičůDFB laser(distribuovaný zpětnovazební laser) na stupnici kHz s využitím metody elektrické zpětné vazby; V roce 2011 Kessler a kol. použili nízkoteplotní a vysoce stabilní monokrystalovou dutinu v kombinaci s aktivním řízením zpětné vazby k dosažení laserového výstupu s ultraúzkou šířkou čáry 40 MHz; V roce 2013 Peng a kol. získali polovodičový laserový výstup s šířkou čáry 15 kHz pomocí metody externího nastavení zpětné vazby Fabry-Perot (FP). Metoda elektrické zpětné vazby využívala hlavně zpětnou vazbu s stabilizací frekvence Pond-Drever-Hall ke snížení šířky laserového čáry světelného zdroje. V roce 2010 Bernhardi a kol. vyrobili 1 cm erbiem dopovaného oxidu hlinitého FBG na substrátu z oxidu křemičitého, aby získali laserový výstup se šířkou čáry přibližně 1,7 kHz. Ve stejném roce Liang a kol. použil zpětnou vazbu zpětného Rayleighova rozptylu vytvořeného rezonátorem ozvěny s vysokým Q pro kompresi šířky čáry polovodičového laseru, jak je znázorněno na obrázku 1, a nakonec získal laserový výstup s úzkou šířkou čáry 160 Hz.
Obr. 1 (a) Schéma komprese šířky čáry polovodičového laseru na základě Rayleighova rozptylu s vlastní injekcí externího rezonátoru s módem šeptající galerie;
(b) Frekvenční spektrum volně běžícího polovodičového laseru s šířkou čáry 8 MHz;
(c) Frekvenční spektrum laseru s šířkou čáry komprimovanou na 160 Hz
2.1.2 Vláknový laser s úzkou šířkou čáry
U lineárních vláknových laserů se úzký šířkový laserový výstup jednoho podélného módu získá zkrácením délky rezonátoru a zvětšením intervalu podélného módu. V roce 2004 Spiegelberg a kol. získali úzký šířkový laserový výstup jednoho podélného módu s šířkou čáry 2 kHz pomocí metody krátké dutiny DBR. V roce 2007 Shen a kol. použili 2 cm silně dopované křemíkové vlákno dopované erbiem k zápisu FBG na fotocitlivé vlákno dopované Bi-Ge a spojili ho s aktivním vláknem za vzniku kompaktní lineární dutiny, čímž se šířka laserového výstupu zmenšila na méně než 1 kHz. V roce 2010 Yang a kol. použili 2 cm vysoce dopovanou krátkou lineární dutinu v kombinaci s úzkopásmovým FBG filtrem k získání laserového výstupu jednoho podélného módu se šířkou čáry menší než 2 kHz. V roce 2014 tým použil krátkou lineární dutinu (virtuální složený prstencový rezonátor) v kombinaci s filtrem FBG-FP k dosažení laserového výstupu s užší šířkou čáry, jak je znázorněno na obrázku 3. V roce 2012 Cai a kol. použili strukturu s krátkou dutinou o délce 1,4 cm k dosažení polarizačního laserového výstupu s výstupním výkonem větším než 114 mW, centrální vlnovou délkou 1540,3 nm a šířkou čáry 4,1 kHz. V roce 2013 Meng a kol. použili Brillouinův rozptyl vlákna dopovaného erbiem s krátkou prstencovou dutinou zařízení s plným předpětím k dosažení laserového výstupu s jedním podélným módem a nízkým fázovým šumem s výstupním výkonem 10 mW. V roce 2015 tým použil prstencovou dutinu složenou z vlákna dopovaného erbiem o délce 45 cm jako zesilovací médium Brillouinova rozptylu k dosažení laserového výstupu s nízkým prahem a úzkou šířkou čáry.
Obr. 2 (a) Schematický nákres vláknového laseru SLC;
(b) Tvar čáry heterodynního signálu měřeného s vláknovým zpožděním 97,6 km
Čas zveřejnění: 20. listopadu 2023