Technologie laserových zdrojů prooptické vláknosnímání části první
Technologie snímání optických vláken je druh technologie snímání vyvinutá společně s technologií optických vláken a komunikační technologií optických vláken a stala se jednou z nejaktivnějších odvětví fotoelektrické technologie.Systém snímání optických vláken se skládá hlavně z laseru, přenosového vlákna, snímacího prvku nebo modulační oblasti, detekce světla a dalších částí.Mezi parametry popisující charakteristiky světelné vlny patří intenzita, vlnová délka, fáze, stav polarizace atd. Tyto parametry mohou být měněny vnějšími vlivy v přenosu optickým vláknem.Například, když teplota, deformace, tlak, proud, posunutí, vibrace, rotace, ohyb a chemické množství ovlivňují optickou dráhu, tyto parametry se odpovídajícím způsobem změní.Snímání 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 žárovkové světlo a světelné diody a koherentní zdroje světla zahrnují pevné lasery, kapalinové lasery, plynové lasery,polovodičový laseravláknový laser.Následující je hlavně prolaserový zdroj světlaširoce používaný v oblasti snímání vláken v posledních letech: jednofrekvenční laser s úzkou šířkou čáry, frekvenční laser s jednou vlnovou délkou a bílý laser.
1.1 Požadavky na úzkou šířku čárylaserové světelné zdroje
Systém snímání optických vláken nelze oddělit od laserového zdroje, protože měřená nosná světelná vlna signálu, samotný výkon zdroje laserového světla, jako je stabilita výkonu, šířka laserové čáry, fázový šum a další parametry na detekční vzdálenosti systému snímání optických vláken, detekce přesnost, citlivost a šumové charakteristiky hrají rozhodující roli.V posledních letech, s rozvojem systémů snímání optických vláken s ultravysokým rozlišením na dlouhé vzdálenosti, akademická sféra a průmysl předložily přísnější požadavky na výkon šířky čáry laserové miniaturizace, zejména v: Technologie optického frekvenčního odrazu (OFDR) využívá koherentní detekční technologie pro analýzu zpětně rozptýlených signálů optických vláken ve frekvenční doméně s širokým pokrytím (tisíce metrů).Výhody vysokého rozlišení (milimetrové rozlišení) a vysoké citlivosti (až -100 dBm) se staly jednou z technologií s širokými vyhlídkami na uplatnění v distribuované technologii měření a snímání optických vláken.Jádrem technologie OFDR je použití laditelného světelného zdroje k dosažení optického frekvenčního ladění, takže výkon laserového zdroje určuje klíčové faktory, jako je rozsah detekce OFDR, citlivost a rozlišení.Když je vzdálenost bodu odrazu blízká koherenční délce, intenzita signálu úderu bude exponenciálně zeslabena koeficientem τ/τc.Pro gaussovský světelný zdroj se spektrálním tvarem, aby bylo zajištěno, že tepová frekvence má více než 90% viditelnost, je vztah mezi šířkou čáry světelného zdroje a maximální snímací délkou, kterou může systém dosáhnout, Lmax~0,04vg /f, což znamená, že pro vlákno o délce 80 km je šířka čáry světelného zdroje menší než 100 Hz.Vývoj dalších aplikací navíc kladl vyšší požadavky na šířku čáry světelného zdroje.Například v systému hydrofonů s optickými vlákny 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 gyroskopu s optickým vláknem rezonátoru lze délku koherence světelné vlny zvýšit snížením šířky čáry světelného zdroje, čímž se zlepší jemnost a hloubka rezonance rezonátoru, sníží se šířka čáry rezonátoru a zajistí se měření. přesnost gyroskopu z optických vláken.
1.2 Požadavky na zdroje rozmítacího laseru
Zametací laser s jednou vlnovou délkou má flexibilní výkon při ladění vlnové délky, může nahradit lasery s více výstupy s pevnou vlnovou délkou, snížit náklady na konstrukci systému, je nepostradatelnou součástí systému snímání optických vláken.Například při snímání stopových plynových vláken mají různé druhy plynů různé vrcholy absorpce plynu.Pro zajištění účinnosti absorpce světla při dostatečném množství měřeného plynu a dosažení 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 snímaného světelného zdroje.Lasery s úzkou šířkou čáry se stabilním širokopásmovým laděním mají proto v takových snímacích systémech vyšší flexibilitu měření.Například v některých systémech snímání s distribuovanými optickými vlákny založenými na odrazu optické frekvenční domény musí být laser rychle periodicky rozmítán, aby se dosáhlo vysoce přesné koherentní detekce a demodulace optických signálů, takže rychlost modulace laserového zdroje má relativně vysoké požadavky. a rychlost rozmítání nastavitelného laseru je obvykle požadována tak, aby dosáhla 10 pm/μs.Kromě toho lze laser s úzkou šířkou šířky vlnové délky také široce používat v liDAR, laserovém dálkovém snímání a spektrální analýze s vysokým rozlišením a dalších snímacích polích.Aby byly splněny požadavky na vysoké výkonové parametry šířky pásma ladění, přesnost ladění a rychlost ladění jednovlnových laserů v oblasti snímání vláken, je celkovým cílem studia laditelných úzkorozměrných vláknových laserů v posledních letech dosáhnout vysoce- přesné ladění ve větším rozsahu vlnových délek na základě sledování ultra úzké šířky laserové čáry, ultra nízkého fázového šumu a ultra stabilní výstupní frekvence a výkonu.
1.3 Poptávka po zdroji bílého laserového světla
V oblasti optického snímání má velký význam vysoce kvalitní laser s bílým světlem pro zlepšení výkonu systému.Čím širší je pokrytí spektra laserem s bílým světlem, tím širší je jeho použití v systému snímání optických vláken.Například při použití vláknové Braggovy mřížky (FBG) ke konstrukci sítě senzorů lze pro demodulaci použít spektrální analýzu nebo metodu přizpůsobení laditelných filtrů.První jmenovaný používal spektrometr k přímému testování každé rezonanční vlnové délky FBG v síti.Ten používá referenční filtr ke sledování a kalibraci FBG při snímání, přičemž oba vyžadují širokopásmový světelný zdroj jako testovací světelný zdroj pro FBG.Protože každá přístupová síť FBG bude mít určitou vložnou ztrátu a má šířku pásma větší než 0,1 nm, současná demodulace více FBG vyžaduje širokopásmový světelný zdroj s vysokým výkonem a velkou šířkou pásma.Například při použití dlouhé periody vláknové mřížky (LPFG) pro snímání, protože šířka pásma jednoho úbytku je řádově 10 nm, je k přesné charakterizaci jeho rezonančního signálu zapotřebí širokospektrální světelný zdroj s dostatečnou šířkou pásma a relativně plochým spektrem. špičkové charakteristiky.Zejména mřížka z akustického vlákna (AIFG) zkonstruovaná s využitím akusticko-optického efektu může dosáhnout pomocí elektrického ladění rozsahu ladění rezonanční vlnové délky až 1000 nm.Testování dynamické mřížky s tak ultra širokým rozsahem ladění proto představuje velkou výzvu pro rozsah šířky pásma širokospektrálního světelného zdroje.Podobně se v posledních letech v oblasti snímání vláken hojně využívá také skloněná Braggova vláknitá mřížka.Vzhledem k jeho multi-vrcholovým charakteristikám spektra ztrát může rozsah distribuce vlnových délek obvykle dosáhnout 40 nm.Jeho snímacím mechanismem je obvykle porovnávání relativního pohybu mezi více přenosovými špičkami, takže je nutné kompletně změřit jeho přenosové spektrum.Šířka pásma a výkon širokospektrálního světelného zdroje musí být vyšší.
2. Stav výzkumu doma a v zahraničí
2.1 Zdroj laserového světla s úzkou šířkou čáry
2.1.1 Polovodičový laser s distribuovanou zpětnou vazbou s úzkou šířkou čáry
V roce 2006 Cliche et al.snížila MHz stupnici polovodičeDFB laser(laser s distribuovanou zpětnou vazbou) na stupnici kHz za použití metody elektrické zpětné vazby;V roce 2011 Kessler a spol.používá nízkoteplotní a vysoce stabilní monokrystalovou dutinu v kombinaci s aktivní zpětnou vazbou k získání laserového výstupu s ultra-úzkou šířkou čáry 40 MHz;V roce 2013 Peng a kol.Metoda elektrické zpětné vazby využívala především Pond-Drever-Hallovu frekvenční stabilizační zpětnou vazbu ke snížení šířky laserové čáry světelného zdroje.V roce 2010 Bernhardi a spol.vyrobil 1 cm erbiem dopovaného oxidu hlinitého FBG na substrátu z oxidu křemíku, aby se získal laserový výstup s šířkou čáry asi 1,7 kHz.Ve stejném roce Liang a spol.použili zpětnou vazbu zpětného vstřikování zpětného Rayleighova rozptylu tvořeného stěnovým rezonátorem s vysokým Q echem pro kompresi šířky čáry polovodičového laseru, jak je znázorněno na obrázku 1, a nakonec získali laserový výstup s úzkou šířkou čáry 160 Hz.
Obr. 1 (a) Schéma komprese šířky čáry polovodičového laseru na základě vlastního vstřikování Rayleighova rozptylu externího rezonátoru v režimu šeptající galerie;
(b) Frekvenční spektrum volně běžícího polovodičového laseru o šířce čáry 8 MHz;
(c) Frekvenční spektrum laseru se šířkou čáry stlačenou na 160 Hz
2.1.2 Vláknový laser s úzkou šířkou čáry
U vláknových laserů s lineárními dutinami je výstup laseru s úzkou šířkou čáry jednoduchého podélného režimu získán zkrácením délky rezonátoru a zvýšením intervalu podélného režimu.V roce 2004 Spiegelberg a spol.získali laserový výstup s úzkou šířkou čáry v jediném podélném režimu s šířkou čáry 2 kHz pomocí metody DBR s krátkou dutinou.V roce 2007 Shen a kol.použil 2 cm silně erbiem dopované křemíkové vlákno k zápisu FBG na fotosenzitivní vlákno dopované Bi-Ge a spojil je s aktivním vláknem, aby vytvořil kompaktní lineární dutinu, takže šířka výstupní čáry laseru je menší než 1 kHz.V roce 2010 Yang a kol.použil 2 cm vysoce dotovanou krátkou lineární dutinu kombinovanou s úzkopásmovým filtrem FBG k získání laserového výstupu s jedním podélným režimem s šířkou čáry menší než 2 kHz.V roce 2014 tým použil krátkou lineární dutinu (virtuální skládaný prstencový rezonátor) v kombinaci s filtrem FBG-FP k získání laserového výstupu s užší šířkou čáry, jak je znázorněno na obrázku 3. V roce 2012 Cai et al.použil 1,4 cm krátkou dutinovou strukturu k získání výstupu polarizačního laseru s výstupním výkonem vyšším než 114 mW, centrální vlnovou délkou 1540,3 nm a šířkou čáry 4,1 kHz.V roce 2013 Meng a spol.použil Brillouinův rozptyl vlákna dotovaného erbiem s krátkou prstencovou dutinou zařízení pro zachování plného předpětí k získání laserového výstupu s jedním podélným režimem a nízkofázovým šumem s výstupním výkonem 10 mW.V roce 2015 tým použil prstencovou dutinu složenou ze 45 cm vlákna dopovaného erbiem jako médium pro zisk rozptylu Brillouin, aby získal laserový výstup s nízkou prahovou hodnotou a úzkou šířkou čáry.
Obr. 2 (a) Schéma vláknového laseru SLC;
(b) Tvar čáry heterodynního signálu měřený se zpožděním vlákna 97,6 km
Čas odeslání: 20. listopadu 2023