Laser source-teknik föroptisk fiberkänner av del ett
Optisk fiberavkänningsteknik är en slags avkänningsteknik utvecklad tillsammans med optisk fiberteknik och optisk fiberkommunikationsteknik, och det har blivit en av de mest aktiva grenarna av fotoelektrisk teknik.Optiskt fiberavkänningssystem 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 yttre påverkan i optisk fiberöverföring.Till exempel, när temperatur, töjning, tryck, ström, förskjutning, vibration, rotation, böjning och kemisk mängd påverkar den optiska vägen, ändras dessa parametrar på motsvarande sätt.Optisk fiberavkänning är baserad på förhållandet mellan dessa parametrar och externa faktorer för att detektera motsvarande fysiska storheter.
Det finns många typer avlaserkällaanvänds i optiska fiberavkänningssystem, som kan delas in i två kategorier: koherentlaserkälloroch osammanhängande ljuskällor, osammanhängandeLjuskällorinkluderar huvudsakligen glödljus och lysdioder, och koherenta ljuskällor inkluderar solida lasrar, flytande lasrar, gaslasrar,halvledarlaserochfiberlaser.Följande är främst förlaserljuskällaflitigt använt inom fiberavkänning de senaste åren: enkelfrekvenslaser med smal linjebredd, enkelvågssvepfrekvenslaser och vit laser.
1.1 Krav på smal linjebreddlaserljuskällor
Optiskt fiberavkänningssystem kan inte separeras från laserkällan, eftersom den uppmätta signalbärarens ljusvåg, laserljuskällans prestanda, såsom strömstabilitet, laserlinjebredd, fasbrus och andra parametrar på det optiska fiberavkänningssystemets detekteringsavstånd, detektering noggrannhet, känslighet och brusegenskaper spelar en avgörande roll.Under de senaste åren, med utvecklingen av långdistansavkänningssystem för optiska fibrer med ultrahög upplösning, har akademin och industrin lagt fram strängare krav på linjebreddsprestanda för laserminiatyrisering, främst inom: optisk frekvensdomänreflektion (OFDR)-teknologi använder koherent detektionsteknologi för att analysera backrayleigh-spridda signaler från optiska fibrer i frekvensdomänen, med en bred täckning (tusentals meter).Fördelarna med hög upplösning (upplösning på millimeternivå) och hög känslighet (upp till -100 dBm) har blivit en av teknologierna med breda tillämpningsmöjligheter inom distribuerad optisk fibermätning och avkänningsteknik.Kärnan i OFDR-tekniken är att använda avstämbar ljuskälla för att uppnå optisk frekvensinställning, så laserkällans prestanda avgör nyckelfaktorerna som OFDR-detekteringsområde, känslighet och upplösning.När reflektionspunktsavståndet är nära koherenslängden, kommer intensiteten hos slagsignalen att dämpas exponentiellt av koefficienten τ/τc.För en Gaussisk ljuskälla med en spektral form, för att säkerställa att slagfrekvensen har mer än 90 % synlighet, är förhållandet mellan ljuskällans linjebredd och den maximala avkänningslängden som systemet kan uppnå Lmax~0,04vg /f, vilket innebär att för en fiber med en längd på 80 km är ljuskällans linjebredd mindre än 100 Hz.Utvecklingen av andra applikationer ställer dessutom högre krav på ljuskällans linjebredd.Till exempel, i det optiska fiberhydrofonsystemet, bestämmer ljuskällans linjebredd systembruset och bestämmer också systemets minsta mätbara signal.I Brillouin optisk tidsdomänreflektor (BOTDR) bestäms mätupplösningen av temperatur och spänning huvudsakligen av ljuskällans linjebredd.I ett fiberoptiskt resonatorgyro kan ljusvågens koherenslängd ökas genom att minska ljuskällans linjebredd, och därigenom förbättra resonatorns finhet och resonansdjup, minska resonatorns linjebredd och säkerställa mätningen noggrannheten hos det fiberoptiska gyrot.
1.2 Krav på sveplaserkällor
En våglängds sveplaser har flexibel våglängdsinställningsprestanda, kan ersätta flera utmatningslasrar med fast våglängd, minska kostnaderna för systemkonstruktion, är en oumbärlig del av optisk 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 anpassa våglängden för transmissionsljuskällan med gasmolekylens absorptionstopp.Den typ av gas som kan detekteras bestäms i huvudsak av våglängden hos den avkännande ljuskällan.Därför har lasrar med smal linjebredd med stabil bredbandsavstämningsprestanda högre mätflexibilitet i sådana avkänningssystem.Till exempel, i vissa distribuerade optiska fiberavkänningssystem baserade på optisk frekvensdomänreflektion, behöver lasern snabbt periodiskt svepas för att uppnå koherent detektering och demodulering av optiska signaler med hög precision, så att modulationshastigheten för laserkällan har relativt höga krav , och svephastigheten för den justerbara lasern krävs vanligtvis för att nå 10 pm/μs.Dessutom kan den våglängdsavstämbara lasern med smal linjebredd också användas i stor utsträckning i liDAR, laserfjärranalys och högupplöst spektralanalys och andra avkänningsfält.För att möta kraven på högpresterande parametrar för avstämningsbandbredd, inställningsnoggrannhet och inställningshastighet för envågslasrar inom fiberavkänning, är det övergripande målet med att studera avstämbara smalbreddsfiberlasrar under de senaste åren att uppnå hög- precisionsinställning i ett större våglängdsområde på basis av eftersträvande av ultrasmal laserlinjebredd, ultralågt fasbrus och ultrastabil utfrekvens och effekt.
1.3 Efterfrågan på vit laserljuskälla
Inom området för optisk avkänning är högkvalitativ vitljuslaser av stor betydelse för att förbättra systemets prestanda.Ju bredare spektrumtäckning för vitljuslaser 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 avstämningsbar filtermatchningsmetod användas för demodulering.Den förstnämnda använde en spektrometer för att direkt testa varje FBG-resonansvåglängd i nätverket.Den senare använder ett referensfilter för att spåra och kalibrera FBG i avkänningen, som båda kräver en bredbandsljuskälla som testljuskälla för FBG.Eftersom varje FBG-accessnät kommer att ha en viss insättningsförlust och har en bandbredd på mer än 0,1 nm, kräver den samtidiga demoduleringen av flera FBG en bredbandsljuskälla med hög effekt och hög bandbredd.Till exempel, när man använder långtidsfibergitter (LPFG) för avkänning, eftersom bandbredden för en enskild förlusttopp är i storleksordningen 10 nm, krävs en brett spektrum ljuskälla med tillräcklig bandbredd och relativt platt spektrum för att exakt karakterisera dess resonans toppegenskaper.I synnerhet kan akustiskt fibergitter (AIFG) konstruerat genom att använda akustooptisk effekt uppnå ett avstämningsområde för resonansvåglängder upp till 1000 nm med hjälp av elektrisk avstämning.Därför utgör dynamisk gittertestning med ett så ultrabrett avstämningsområde en stor utmaning för bandbreddsområdet för en ljuskälla med brett spektrum.På liknande sätt har snedställda Bragg-fibergaller under senare år också använts i stor utsträckning inom området för fiberavkänning.På grund av dess flertoppsförlustspektrumegenskaper 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 kraften hos den bredspektrade ljuskällan måste vara högre.
2. Forskningsstatus hemma och utomlands
2.1 Laserljuskälla med smal linjebredd
2.1.1 Halvledardistribuerad återkopplingslaser med smal linjebredd
År 2006, Cliche et al.reducerade MHz-skalan för halvledareDFB laser(distribuerad återkopplingslaser) till kHz-skala med hjälp av elektrisk återkopplingsmetod;År 2011, Kessler et al.använd låg temperatur och hög stabilitet enkristallkavitet kombinerat med aktiv återkopplingskontroll för att erhålla laserutsignal med ultrasmal linjebredd på 40 MHz;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 frekvensstabiliseringsåterkoppling för att få ljuskällans laserlinjebredd att reduceras.År 2010, Bernhardi et al.producerade 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 självinjiceringsåterkopplingen av bakåtriktad Rayleigh-spridning bildad av en väggresonator med högt Q-eko för linjebreddskompression av halvledarlaser, som visas i figur 1, och erhöll slutligen en laserutsignal med smal linjebredd på 160 Hz.
Fig. 1 (a) Diagram över halvledarlaserlinjebreddskompression baserat på självinjektion Rayleigh-spridning av extern viskande gallerilägesresonator;
(b) Frekvensspektrum för den frigående halvledarlasern med en linjebredd på 8 MHz;
(c) Laserns frekvensspektrum med linjebredden komprimerad till 160 Hz
2.1.2 Fiberlaser med smal linjebredd
För linjära kavitetsfiberlasrar erhålls laserutsignalen med smal linjebredd för enkel longitudinell mod genom att förkorta längden på resonatorn och öka det longitudinella modintervallet.2004, Spiegelberg et al.erhöll en enkel longitudinell mod smal linjebreddslaserutgång med en linjebredd på 2 kHz genom att använda DBR-metoden med kort kavitet.År 2007, Shen et al.använde en 2 cm kraftigt erbiumdopad kiselfiber för att skriva FBG på en Bi-Ge samdopad ljuskänslig fiber och fuserade den med en aktiv fiber för att bilda en kompakt linjär kavitet, vilket gjorde dess laserutgångslinjebredd mindre än 1 kHz.År 2010, Yang et al.använde en 2 cm högdopad kort linjär kavitet kombinerat med ett smalbandigt FBG-filter för att erhålla en laserutsignal i longitudinell läge med en linjebredd på mindre än 2 kHz.Under 2014 använde teamet en kort linjär kavitet (virtuell vikt ringresonator) i kombination med ett FBG-FP-filter för att få en laserutgång med en smalare linjebredd, som visas i figur 3. 2012, Cai et al.använde 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, Meng et al.använde Brillouin-spridning av erbiumdopad fiber med en kort ringkavitet av en full-bias-konserverande anordning för att erhålla en laserutmatning i en longitudinell läge med lågfasbrus med en uteffekt på 10 mW.Under 2015 använde teamet en ringkavitet bestående av 45 cm erbiumdopad fiber som Brillouins spridningsförstärkningsmedium för att erhålla en laserutmatning med låg tröskel och smal linjebredd.
Fig. 2 (a) Schematisk ritning av SLC-fiberlasern;
(b) Linjeform av den heterodyna signalen uppmätt med 97,6 km fiberfördröjning
Posttid: 2023-november