Laserbrontechnologie vooroptische vezelDeel deel één
Optische vezeldetectietechnologie is een soort detectietechnologie die is ontwikkeld samen met optische vezeltechnologie en optische vezelcommunicatietechnologie, en het is een van de meest actieve takken van foto -elektrische technologie geworden. Optisch vezeldetectiesysteem bestaat voornamelijk uit laser-, transmissie -vezels, detectie -element of modulatiegebied, lichtdetectie en andere onderdelen. De parameters die de kenmerken van lichtgolf beschrijven, omvatten intensiteit, golflengte, fase, polarisatietoestand, enz. Deze parameters kunnen worden gewijzigd door externe invloeden bij optische vezeltransmissie. Bijvoorbeeld wanneer temperatuur, rek, druk, stroom, verplaatsing, trillingen, rotatie, buiging en chemische hoeveelheid het optische pad beïnvloeden, veranderen deze parameters dienovereenkomstig. Optische vezeldetectie is gebaseerd op de relatie tussen deze parameters en externe factoren om de overeenkomstige fysieke hoeveelheden te detecteren.
Er zijn veel soortenlaserbronGebruikt in optische vezeldetectiesystemen, die kunnen worden onderverdeeld in twee categorieën: coherentlaserbronnenen onsamenhangende lichtbronnen, onsamenhangendLichtbronnenomvatten voornamelijk gloeilampen en lichte emitterende diodes, en coherente lichtbronnen omvatten vaste lasers, vloeibare lasers, gaslasers,halfgeleiderlaserEnvezellaser. Het volgende is vooral voor delaserlichtbronOp grote schaal gebruikt op het gebied van vezeldetectie in de afgelopen jaren: smalle lijnbreedte enkelfrequente laser, sweep frequentie laser met één golflengte en witte laser.
1.1 Vereisten voor smalle lijnbreedteLaserlichtbronnen
Optisch vezeldetectiesysteem kan niet worden gescheiden van de laserbron, omdat de gemeten signaaldrager lichtgolf, laserlichtbron zelf prestaties, zoals vermogensstabiliteit, laserlijnbreedte, faseruis en andere parameters op de optische vezeldetectiesysteemdetectieafstand, detectienauwkeurigheid, gevoeligheid en ruiskarakteristieken spelen, een besluitvorming spelen. In recent years, with the development of long-distance ultra-high resolution optical fiber sensing systems, academia and industry have put forward more stringent requirements for the linewidth performance of laser miniaturization, mainly in: optical frequency domain reflection (OFDR) technology uses coherent detection technology to analyze the backrayleigh scattered signals of optical fibers in the frequency domain, with a wide coverage (thousands of meters). De voordelen van hoge resolutie (resolutie op millimeterniveau) en hoge gevoeligheid (tot -100 dbm) zijn een van de technologieën geworden met brede toepassingsperspectieven in gedistribueerde optische vezelmeting en detectietechnologie. De kern van OFDR -technologie is het gebruik van de afstembare lichtbron om optische frequentieafstemming te bereiken, dus de prestaties van de laserbron bepaalt de belangrijkste factoren zoals OFDR -detectiebereik, gevoeligheid en resolutie. Wanneer de afstand van het reflectiepunt dicht bij de coherentielengte ligt, wordt de intensiteit van het beatsignaal exponentieel verzwakt door de coëfficiënt τ/τc. Voor een Gaussiaanse lichtbron met een spectrale vorm, om ervoor te zorgen dat de beatfrequentie meer dan 90% zichtbaarheid heeft, is de relatie tussen de lijnbreedte van de lichtbron en de maximale detectielengte die het systeem kan bereiken, LMAX ~ 0,04VG/F, wat betekent dat voor een vezel met een lengte van 80 km, de lijn breedte van de lichtbron is minder dan 100 Hz. Bovendien heeft de ontwikkeling van andere toepassingen ook hogere vereisten voor de lijnbreedte van de lichtbron gesteld. In het optische vezelhydrofoonsysteem bepaalt de lijnbreedte van de lichtbron bijvoorbeeld de systeemruis en bepaalt ook het minimale meetbare signaal van het systeem. In Brillouin Optical Time Domain Reflector (BOTDR) wordt de meetresolutie van temperatuur en spanning voornamelijk bepaald door de lijnbreedte van de lichtbron. In een resonator glasvezelgyro kan de coherentielengte van de lichtgolf worden verhoogd door de lijnbreedte van de lichtbron te verminderen, waardoor de fijnheid en resonantiediepte van de resonator wordt verbeterd, waardoor de lijnbreedte van de resonator wordt verminderd en de nauwkeurigheid van de vezeloptische gyro te verminderen.
1.2 Vereisten voor sweep laserbronnen
Sweep -laser met enkele golflengte heeft flexibele afstemmingsprestaties van de golflengte, kan meerdere uitgangslasers met vaste golflengte vervangen, de kosten van systeemconstructie verlagen, is een onmisbaar onderdeel van het optische vezelsensectiesysteem. Bij bijvoorbeeld het detecteren van gasvezel hebben verschillende soorten gassen verschillende gasabsorptiepieken. Om de lichtabsorptie -efficiëntie te waarborgen wanneer het meetgas voldoende is en een hogere meetgevoeligheid bereikt, is het noodzakelijk om de golflengte van de transmissielichtbron uit te lijnen met de absorptiepiek van het gasmolecuul. Het type gas dat kan worden gedetecteerd, wordt in wezen bepaald door de golflengte van de detectielichtbron. Daarom hebben smalle lijnbreedte lasers met stabiele breedbandafstemmingsprestaties een hogere meetflexibiliteit in dergelijke detectiesystemen. In sommige gedistribueerde optische vezel detectiesystemen op basis van optische frequentiedomeinreflectie moet de laser bijvoorbeeld snel periodiek worden geveegd om coherente detectie van hoge nauwkeurigheid en demodulatie van optische signalen te bereiken, dus de modulatiesnelheid van de laserbron heeft relatief hoge vereisten en de sweepsnelheid van de verstelbare laser is meestal vereist tot 10 pm/μs. Bovendien kan de golflengte instelbare smalle lijnbreedte laser ook op grote schaal worden gebruikt in LIDAR, laser-teledetectie en spectrale analyse met hoge resolutie en andere detectievelden. Om te voldoen aan de vereisten van hoge prestatieparameters van het afstemmen van bandbreedte, stemnauwkeurigheid en afstemmingssnelheid van lasers met één golflengte op het gebied van vezelgevoeling, is het algemene doel van het bestuderen van in stempel in de afgelopen jaren afkomstig van ultra-las laser, ultra-stabiel las, ultra-las, ultra-las, ultra-las, ultra-las. en kracht.
1.3 Vraag naar witte laserlichtbron
Op het gebied van optische detectie is hoogwaardige witte lichtlaser van groot belang om de prestaties van het systeem te verbeteren. Hoe breder de spectrumdekking van witte lichtlaser, hoe uitgebreider de toepassing ervan in optisch vezeldetectiesysteem. Bij het gebruik van Fiber Bragg -rooster (FBG) om een sensornetwerk te construeren, kan bijvoorbeeld spectrale analyse of afstembare filter matching -methode worden gebruikt voor demodulatie. De eerste gebruikte een spectrometer om elke FBG -resonantiegolflengte in het netwerk direct te testen. De laatste gebruikt een referentiefilter om de FBG in de detectie te volgen en te kalibreren, die beide een breedbandlichtbron vereisen als een testlichtbron voor de FBG. Omdat elk FBG Access -netwerk een bepaald invoegverlies zal hebben en een bandbreedte van meer dan 0,1 nm heeft, vereist de gelijktijdige demodulatie van meerdere FBG een breedbandlichtbron met hoog vermogen en hoge bandbreedte. Bij het gebruik van lange periodes vezelsooster (LPFG) bijvoorbeeld voor detectie, omdat de bandbreedte van een enkele verliespiek in de volgorde van 10 nm is, is een brede spectrumlichtbron met voldoende bandbreedte en relatief plat spectrum vereist om de resonerende piekkenmerken nauwkeurig te karakteriseren. In het bijzonder kan akoestisch vezelrooster (AIFG) geconstrueerd door het gebruik van akoesto-optisch effect een afstemmingsbereik van resonantiegolflengte tot 1000 nm bereiken door middel van elektrische afstemming. Daarom vormt dynamisch roostertesten met zo'n ultra-brede afstemmingsbereik een grote uitdaging voor het bandbreedtebereik van een brede spectrumbron. Evenzo is de afgelopen jaren gekanteld Bragg -vezelrooster ook op grote schaal gebruikt op het gebied van vezeldetectie. Vanwege zijn multi-piek verliesspectrumkenmerken, kan het golflengteverdelingsbereik meestal 40 nm bereiken. Het detectiemechanisme is meestal om de relatieve beweging tussen meerdere transmissiepieken te vergelijken, dus het is noodzakelijk om het transmissiespectrum volledig te meten. De bandbreedte en het vermogen van de brede spectrumlichtbron moeten hoger zijn.
2. Onderzoeksstatus in binnen- en buitenland
2.1 smalle lijnbreedte laserlichtbron
2.1.1 Semiconductor met smalle lijnbreedte gedistribueerde feedback laser
In 2006, Cliche et al. verminderde de MHz -schaal van halfgeleiderDFB -laser(Gedistribueerde feedbacklaser) naar KHZ -schaal met behulp van elektrische feedbackmethode; In 2011, Kessler et al. gebruikte lage temperatuur en hoge stabiliteit enkele kristalholte gecombineerd met actieve feedbackregeling om ultra-narrow lijnbreedte laseruitgang van 40 MHz te verkrijgen; In 2013 verkregen Peng et al een halfgeleiderlaseruitgang met een lijnbreedte van 15 kHz met behulp van de methode van externe Fabry-Perot (FP) feedbackaanpassing. De elektrische feedbackmethode gebruikte voornamelijk de feedback van de frequentie van de pond-draalhal-hall-frequentie om de laserlijnbreedte van de lichtbron te laten verminderden. In 2010, Bernhardi et al. produceerde 1 cm erbium-gedoteerde aluminiumoxide FBG op een siliciumoxidesubstraat om een laseruitgang te verkrijgen met een lijnbreedte van ongeveer 1,7 kHz. In hetzelfde jaar, Liang et al. gebruikte de zelfinjectie feedback van achterwaartse Rayleigh-verstrooiing gevormd door een high-Q echo-wandresonator voor halfgeleider laserlijnbreedte compressie, zoals weergegeven in figuur 1, en verkreeg uiteindelijk een smalle laser-laseruitgang van 160 Hz.
Fig. 1 (a) Diagram van halfgeleider laserlijnbreedte compressie op basis van de zelfinjectie Rayleigh verstrooiing van externe fluisterende galerijmodus resonator;
(b) frequentiespectrum van de vrij lopende halfgeleiderlaser met lijnbreedte van 8 MHz;
(c) Frequentiespectrum van de laser met lijnbreedte gecomprimeerd tot 160 Hz
2.1.2 smalle lijnbreedte vezellaser
Voor lineaire holte vezellasers wordt de smalle lijnbreedte laseruitgang van enkele longitudinale modus verkregen door de lengte van de resonator te verkorten en het longitudinale modusinterval te verhogen. In 2004, Spiegelberg et al. verkregen een enkele longitudinale modus smalle lijnbreedte laseruitgang met een lijnbreedte van 2 kHz met behulp van de DBR korte holtemethode. In 2007, Shen et al. Gebruikte een zwaar erbium-gedoteerde siliciumvezel van 2 cm om FBG te schrijven op een bi-ge co-gedoteerde fotosensitieve vezels en versmolten deze met een actieve vezel om een compacte lineaire holte te vormen, waardoor de laseruitgangslijn breedte minder dan 1 kHz is. In 2010, Yang et al. gebruikte een 2 cm sterk gedoteerde korte lineaire holte in combinatie met een smalband FBG -filter om een enkele longitudinale laseruitgang te verkrijgen met een lijnbreedte van minder dan 2 kHz. In 2014 gebruikte het team een korte lineaire holte (virtuele gevouwen ringresonator) gecombineerd met een FBG-FP-filter om een laseruitgang te verkrijgen met een smallere lijnbreedte, zoals weergegeven in figuur 3. In 2012, Cai et al. gebruikte een 1,4 cm korte holtestructuur om een polariserende laseruitgang te verkrijgen met een uitgangsvermogen groter dan 114 MW, een centrale golflengte van 1540,3 nm en een lijnbreedte van 4,1 kHz. In 2013, Meng et al. Gebruikte brillouin verstrooiing van erbium-gedoteerde vezels met een korte ringholte van een full-bias conserverend apparaat om een enkele longitudinale modus te verkrijgen, laagfase ruis laseruitgang met een uitgangsvermogen van 10 mW. In 2015 gebruikte het team een ringholte bestaande uit 45 cm erbium-gedoteerde vezel als de Brillouin-versterkingsversterkingsmedium om een lage drempel en smalle lijnbreedte laseruitgang te verkrijgen.
Fig. 2 (a) Schematische tekening van de SLC -vezellaser;
(b) Lijnbescherming van het heterodyne -signaal gemeten met 97,6 km vezelvertraging
Posttijd: nov-20-2023