Laserkällateknik föroptisk fiberavkänning del ett
Fiberoptisk avkänningsteknik är en typ av avkänningsteknik som utvecklats tillsammans med fiberoptisk teknik och fiberoptisk kommunikationsteknik, och har blivit en av de mest aktiva grenarna inom fotoelektrisk teknik. Fiberoptiska avkänningssystem består huvudsakligen av laser, transmissionsfiber, avkänningselement eller moduleringsområde, ljusdetektering och andra delar. Parametrarna som beskriver ljusvågens egenskaper inkluderar intensitet, våglängd, fas, polarisationstillstånd etc. Dessa parametrar kan ändras av externa faktorer vid fiberoptisk överföring. Till exempel, när temperatur, spänning, tryck, ström, förskjutning, vibration, rotation, böjning och kemisk kvantitet påverkar den optiska vägen, ändras dessa parametrar i motsvarande grad. Fiberoptisk avkänning baseras på förhållandet mellan dessa parametrar och externa faktorer för att detektera motsvarande fysiska kvantiteter.
Det finns många typer avlaserkällaanvänds i optiska fiberavkänningssystem, som kan delas in i två kategorier: koherentalaserkälloroch inkoherenta ljuskällor, inkoherentaljuskällorinkluderar huvudsakligen glödlampor och lysdioder, och koherenta ljuskällor inkluderar fasta lasrar, flytande lasrar, gaslasrar,halvledarlaserochfiberlaserFöljande är huvudsakligen förlaserljuskällahar använts flitigt inom fiberavkänning de senaste åren: smal linjebredd enfrekvenslaser, svepfrekvenslaser med en våglängd och vit laser.
1.1 Krav för smal linjebreddlaserljuskällor
Det optiska fiberavkänningssystem kan inte separeras från laserkällan, eftersom den uppmätta signalbärvågen, laserljuskällans prestanda, såsom effektstabilitet, laserlinjebredd, fasbrus och andra parametrar spelar en avgörande roll för det optiska fiberavkänningssystemets detekteringsavstånd, detekteringsnoggrannhet, känslighet och brusegenskaper. Under senare år, med utvecklingen av långdistans ultrahögupplösta optiska fiberavkänningssystem, har den akademiska världen och industrin ställt strängare krav på linjebreddprestanda för laserminiatyrisering, främst inom: optisk frekvensdomänreflektionsteknik (OFDR) använder koherent detekteringsteknik för att analysera backrayleigh-spridda signaler från optiska fibrer i frekvensdomänen, med en bred täckning (tusentals meter). Fördelarna med hög upplösning (millimeternivåupplösning) och hög känslighet (upp till -100 dBm) har blivit en av de tekniker med breda tillämpningsmöjligheter inom distribuerad optisk fibermätning och avkänningsteknik. Kärnan i OFDR-tekniken är att använda en avstämbar ljuskälla för att uppnå optisk frekvensjustering, så laserkällans prestanda avgör nyckelfaktorer som OFDR-detekteringsområde, känslighet och upplösning. När avståndet till reflektionspunkten är nära koherenslängden, kommer intensiteten hos svävningssignalen att dämpas exponentiellt med koefficienten τ/τc. För en Gaussisk ljuskälla med spektral form, för att säkerställa att svävningsfrekvensen har mer än 90 % synlighet, är förhållandet mellan ljuskällans linjebredd och den maximala avkänningslängden som systemet kan uppnå Lmax ~ 0,04 vg/f, vilket innebär att för en fiber med en längd på 80 km är ljuskällans linjebredd mindre än 100 Hz. Dessutom har utvecklingen av andra tillämpningar också ställt högre krav på ljuskällans linjebredd. Till exempel, i det optiska fiberhydrofonsystemet, bestämmer ljuskällans linjebredd systembruset och bestämmer även systemets minsta mätbara signal. I Brillouin optisk tidsdomänreflektor (BOTDR) bestäms mätupplösningen för temperatur och spänning huvudsakligen av ljuskällans linjebredd. I ett resonatoriskt fiberoptiskt gyro kan ljusvågens koherenslängd ökas genom att minska ljuskällans linjebredd, vilket förbättrar resonatorns finhet och resonansdjup, minskar resonatorns linjebredd och säkerställer fiberoptiskt gyros mätnoggrannhet.
1.2 Krav för sveplaserkällor
Sveplasrar med en våglängd har flexibel våglängdsinställningsprestanda, kan ersätta flera utgångslasrar med fast våglängd, minska kostnaderna för systemkonstruktion och är en oumbärlig del av ett optiskt fiberavkänningssystem. Till exempel, vid spårgasfiberavkänning har olika typer av gaser olika gasabsorptionstoppar. För att säkerställa ljusabsorptionseffektiviteten när mätgasen är tillräcklig och uppnå högre mätkänslighet är det nödvändigt att justera våglängden hos transmissionsljuskällan med gasmolekylens absorptionstopp. Den typ av gas som kan detekteras bestäms i huvudsak av våglängden hos den avkännande ljuskällan. Därför har smala linjebreddslasrar med stabil bredbandsinställningsprestanda högre mätflexibilitet i sådana avkänningssystem. Till exempel, i vissa distribuerade optiska fiberavkänningssystem baserade på reflektion i den optiska frekvensdomänen, måste lasern snabbt och periodiskt svepas för att uppnå högprecision koherent detektion och demodulering av optiska signaler, så laserkällans modulationshastighet har relativt höga krav, och den justerbara laserns svephastighet krävs vanligtvis för att nå 10 pm/μs. Dessutom kan den våglängdsavstämbara smallinjebreddslasern också användas i stor utsträckning inom liDAR, laserfjärranalys och högupplöst spektralanalys och andra sensorområden. För att uppfylla kraven på högpresterande parametrar för avstämningsbandbredd, avstämningsnoggrannhet och avstämningshastighet för envåglängdslasrar inom fiberavkänning, är det övergripande målet med att studera avstämbara smallinjebreddsfiberlasrar under senare år att uppnå högprecisionsavstämning i ett större våglängdsområde baserat på att sträva efter ultrasmal laserlinjebredd, ultralågt fasbrus och ultrastabil utgångsfrekvens och effekt.
1.3 Efterfrågan på vit laserljuskälla
Inom området optisk avkänning är högkvalitativ vitljuslaser av stor betydelse för att förbättra systemets prestanda. Ju bredare spektrumtäckningen hos vitljuslasern är, desto mer omfattande är dess tillämpning i optiska fiberavkänningssystem. Till exempel, när man använder fiber Bragg-gitter (FBG) för att konstruera ett sensornätverk, kan spektralanalys eller avstämbara filtermatchningsmetoder användas för demodulering. Den förra använde en spektrometer för att direkt testa varje FBG-resonansvåglängd i nätverket. Den senare använde ett referensfilter för att spåra och kalibrera FBG i avkänningen, vilka båda kräver en bredbandsljuskälla som testljuskälla för FBG. Eftersom varje FBG-åtkomstnätverk har en viss insättningsförlust och har en bandbredd på mer än 0,1 nm, kräver samtidig demodulering av flera FBG en bredbandsljuskälla med hög effekt och hög bandbredd. Till exempel, när man använder långperiodsfibergitter (LPFG) för avkänning, eftersom bandbredden för en enda förlusttopp är i storleksordningen 10 nm, krävs en bredspektrumsljuskälla med tillräcklig bandbredd och relativt platt spektrum för att noggrant karakterisera dess resonanta toppkarakteristika. I synnerhet kan akustiskt fibergitter (AIFG) konstruerat med hjälp av akustooptisk effekt uppnå ett avstämningsområde med resonansvåglängd upp till 1000 nm med hjälp av elektrisk avstämning. Därför utgör dynamisk gittertestning med ett sådant ultrabrett avstämningsområde en stor utmaning för bandbreddsområdet för en bredspektrumsljuskälla. På liknande sätt har lutande Bragg-fibergitter under senare år också använts i stor utsträckning inom fiberavkänning. På grund av dess förlustspektrumkarakteristik med flera toppar kan våglängdsfördelningsområdet vanligtvis nå 40 nm. Dess avkänningsmekanism är vanligtvis att jämföra den relativa rörelsen mellan flera transmissionstoppar, så det är nödvändigt att mäta dess transmissionsspektrum fullständigt. Bandbredden och effekten hos den bredspektrumsljuskällan måste vara högre.
2. Forskningsstatus i hemlandet och utomlands
2.1 Laserljuskälla med smal linjebredd
2.1.1 Halvledarlaser med smal linjebredd och distribuerad återkoppling
År 2006 reducerade Cliche et al. MHz-skalan för halvledareDFB-laser(distribuerad återkopplingslaser) till kHz-skala med hjälp av elektrisk återkopplingsmetod; År 2011 använde Kessler et al. lågtemperatur och hög stabilitet i enkristallkavitet i kombination med aktiv återkopplingskontroll för att erhålla en ultrasmal linjebredd på 40 MHz med laserutgångsfrekvens; År 2013 erhöll Peng et al. en halvledarlaserutgång med en linjebredd på 15 kHz genom att använda metoden för extern Fabry-Perot (FP) återkopplingsjustering. Den elektriska återkopplingsmetoden använde huvudsakligen Pond-Drever-Hall-frekvensstabiliseringsåterkopplingen för att minska ljuskällans laserlinjebredd. År 2010 producerade Bernhardi et al. 1 cm erbiumdopad aluminiumoxid FBG på ett kiseloxidsubstrat för att erhålla en laserutgång med en linjebredd på cirka 1,7 kHz. Samma år, Liang et al. använde självanjektionsåterkopplingen av bakåtriktad Rayleigh-spridning bildad av en ekoväggsresonator med hög Q-värde för kompression av halvledarlaserlinjebredds, såsom visas i figur 1, och erhöll slutligen en laserutgång med smal linjebreddsgrad på 160 Hz.
Fig. 1 (a) Diagram över linjebreddskomprimering med halvledarlaser baserad på självanjektion av Rayleigh-spridning hos en extern viskande gallerimodresonator;
(b) Frekvensspektrum för den fritt löpande halvledarlasern med linjebredd 8 MHz;
(c) Laserns frekvensspektrum med linjebredd komprimerad till 160 Hz
2.1.2 Fiberlaser med smal linjebredd
För linjära kavitetsfiberlasrar erhålls den smala linjebreddslaserutgången för ett enda longitudinellt mod genom att förkorta resonatorns längd och öka det longitudinella modintervallet. År 2004 erhöll Spiegelberg et al. en smal linjebreddslaserutgång för ett enda longitudinellt mod med en linjebredd på 2 kHz med hjälp av DBR-kortkavitetsmetoden. År 2007 använde Shen et al. en 2 cm kraftigt erbiumdopad kiselfiber för att skriva FBG på en Bi-Ge-samdopad ljuskänslig fiber och smälte den samman med en aktiv fiber för att bilda en kompakt linjär kavitet, vilket gjorde dess laserutgångslinjebredd mindre än 1 kHz. År 2010 använde Yang et al. en 2 cm starkt dopad kort linjär kavitet kombinerad med ett smalbandigt FBG-filter för att erhålla en enda longitudinell laserutgång med en linjebredd på mindre än 2 kHz. År 2014 använde teamet en kort linjär kavitet (virtuell vikt ringresonator) kombinerad med ett FBG-FP-filter för att erhålla en laserutgång med en smalare linjebredd, såsom visas i figur 3. År 2012 använde Cai et al. en 1,4 cm kort kavitetsstruktur för att erhålla en polariserande laserutgång med en uteffekt större än 114 mW, en central våglängd på 1540,3 nm och en linjebredd på 4,1 kHz. År 2013 använde Meng et al. Brillouinspridning av erbiumdopad fiber med en kort ringkavitet i en fullbias-bevarande anordning för att erhålla en laserutgång med lågt brus i enkel longitudinellt läge och en uteffekt på 10 mW. År 2015 använde teamet en ringkavitet bestående av 45 cm erbiumdopad fiber som Brillouinspridningsförstärkningsmedium för att erhålla en laserutgång med låg tröskel och smal linjebredd.
Fig. 2 (a) Schematisk ritning av SLC-fiberlasern;
(b) Linjeformen hos heterodynsignalen mätt med 97,6 km fiberfördröjning
Publiceringstid: 20 november 2023