Laserbrontechnologie vooroptische vezelhet voelen van deel één
Optische vezeldetectietechnologie is een soort detectietechnologie die samen met optische vezeltechnologie en optische vezelcommunicatietechnologie is ontwikkeld, en is een van de meest actieve takken van foto-elektrische technologie geworden. Het optische vezeldetectiesysteem bestaat hoofdzakelijk uit laser, transmissievezel, detectie-element of modulatiegebied, lichtdetectie en andere onderdelen. De parameters die de kenmerken van lichtgolven beschrijven, omvatten intensiteit, golflengte, fase, polarisatietoestand, enz. Deze parameters kunnen worden veranderd door externe invloeden in de transmissie van optische vezels. Wanneer bijvoorbeeld temperatuur, rek, druk, stroom, verplaatsing, trilling, 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 grootheden te detecteren.
Er zijn veel soortenlaserbrongebruikt in detectiesystemen voor optische vezels, die in twee categorieën kunnen worden onderverdeeld: coherentlaserbronnenen onsamenhangende lichtbronnen, onsamenhangendlichtbronnenomvatten hoofdzakelijk gloeilampen en lichtgevende diodes, en coherente lichtbronnen omvatten vaste lasers, vloeibare lasers, gaslasers,halfgeleider laserEnfiber laser. Het volgende is voornamelijk bedoeld voor delaserlichtbronop grote schaal gebruikt op het gebied van vezeldetectie in de afgelopen jaren: smalle lijnbreedte laser met enkele frequentie, laser met enkele golflengte en witte laser.
1.1 Vereisten voor smalle lijnbreedtelaserlichtbronnen
Het optische vezeldetectiesysteem kan niet worden gescheiden van de laserbron, omdat de gemeten signaaldragerlichtgolf, de prestaties van de laserlichtbron zelf, zoals vermogensstabiliteit, laserlijnbreedte, faseruis en andere parameters op de detectieafstand van het optische vezeldetectiesysteem, detectie nauwkeurigheid, gevoeligheid en ruiskarakteristieken spelen een beslissende rol. De afgelopen jaren hebben de academische wereld en de industrie, met de ontwikkeling van optische vezeldetectiesystemen met ultrahoge resolutie over lange afstand, strengere eisen gesteld aan de lijnbreedteprestaties van laserminiaturisatie, voornamelijk in: optische frequentiedomeinreflectie (OFDR) -technologie maakt gebruik van coherente detectietechnologie om de backrayleigh-verstrooide signalen van optische vezels in het frequentiedomein te analyseren, met een brede dekking (duizenden meters). De voordelen van hoge resolutie (resolutie op millimeterniveau) en hoge gevoeligheid (tot -100 dBm) zijn een van de technologieën geworden met brede toepassingsmogelijkheden in de gedistribueerde meet- en detectietechnologie voor optische vezels. De kern van OFDR-technologie is het gebruik van een afstembare lichtbron om optische frequentieafstemming te bereiken, zodat de prestaties van de laserbron de belangrijkste factoren bepalen, zoals OFDR-detectiebereik, gevoeligheid en resolutie. Wanneer de reflectiepuntafstand dichtbij de coherentielengte ligt, zal de intensiteit van het zwevingssignaal exponentieel worden verzwakt door de coëfficiënt τ/τc. Om ervoor te zorgen dat de zwevingsfrequentie meer dan 90% zichtbaar is, is voor een Gaussiaanse lichtbron met een spectrale vorm 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 lijnbreedte van de lichtbron kleiner is dan 100 Hz. Daarnaast stelde de ontwikkeling van andere toepassingen ook hogere eisen aan de lijnbreedte van de lichtbron. In het hydrofoonsysteem met optische vezels bepaalt de lijnbreedte van de lichtbron bijvoorbeeld de systeemruis en bepaalt ook het minimaal meetbare signaal van het systeem. In Brillouin optische tijddomeinreflector (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 vergroot door de lijnbreedte van de lichtbron te verkleinen, waardoor de fijnheid en resonantiediepte van de resonator wordt verbeterd, de lijnbreedte van de resonator wordt verkleind en de meting wordt gegarandeerd nauwkeurigheid van de glasvezelgyro.
1.2 Vereisten voor sweeplaserbronnen
Sweeplaser met enkele golflengte heeft flexibele golflengte-afstemmingsprestaties, kan lasers met vaste golflengte met meerdere uitgangen vervangen, de kosten van systeemconstructie verlagen, is een onmisbaar onderdeel van optische vezeldetectiesystemen. Bij het detecteren van sporengasvezels hebben verschillende soorten gassen bijvoorbeeld verschillende gasabsorptiepieken. Om de lichtabsorptie-efficiëntie te garanderen wanneer het meetgas voldoende is en een hogere meetgevoeligheid te bereiken, is het noodzakelijk om de golflengte van de transmissielichtbron op één lijn te brengen met de absorptiepiek van het gasmolecuul. Het type gas dat kan worden gedetecteerd, wordt in wezen bepaald door de golflengte van de waarnemende lichtbron. Daarom hebben lasers met smalle lijnbreedte en stabiele breedbandafstemmingsprestaties een grotere meetflexibiliteit in dergelijke detectiesystemen. In sommige gedistribueerde detectiesystemen voor optische vezels die zijn gebaseerd op reflectie in het optische frequentiedomein, moet de laser bijvoorbeeld snel periodiek worden geveegd om zeer nauwkeurige coherente detectie en demodulatie van optische signalen te bereiken, dus de modulatiesnelheid van de laserbron stelt relatief hoge eisen. , en de sweepsnelheid van de instelbare laser moet gewoonlijk 22 pm/μs bereiken. Bovendien kan de afstembare laser met smalle lijnbreedte ook op grote schaal worden gebruikt in liDAR, laserdetectie op afstand en spectrale analyse met hoge resolutie en andere detectievelden. Om te voldoen aan de eisen van hoogwaardige parameters van afstembandbreedte, afstemnauwkeurigheid en afstemsnelheid van lasers met één golflengte op het gebied van vezeldetectie, is het algemene doel van het bestuderen van afstembare vezellasers met smalle breedte de afgelopen jaren het bereiken van hoge- precisie-afstemming in een groter golflengtebereik op basis van het nastreven van ultra-smalle laserlijnbreedte, ultra-lage faseruis en ultra-stabiele uitgangsfrequentie en -vermogen.
1.3 Vraag naar witte laserlichtbron
Op het gebied van optische detectie is hoogwaardige witlichtlaser van groot belang om de prestaties van het systeem te verbeteren. Hoe breder de spectrumdekking van witlichtlasers, hoe uitgebreider de toepassing ervan in optische vezeldetectiesystemen. Wanneer bijvoorbeeld Fiber Bragg-rooster (FBG) wordt gebruikt om een sensornetwerk te construeren, kan voor demodulatie spectrale analyse of een afstembare filtermatchingmethode worden gebruikt. De eerste gebruikte een spectrometer om elke FBG-resonante golflengte in het netwerk rechtstreeks te testen. Deze laatste gebruikt een referentiefilter om de FBG bij de detectie te volgen en te kalibreren, die beide een breedbandlichtbron vereisen als testlichtbron voor de FBG. Omdat elk FBG-toegangsnetwerk een bepaald invoegverlies zal hebben en een bandbreedte heeft van meer dan 0,1 nm, vereist de gelijktijdige demodulatie van meerdere FBG een breedbandige lichtbron met een hoog vermogen en een hoge bandbreedte. Wanneer bijvoorbeeld lange-termijnvezelroosters (LPFG) voor detectie worden gebruikt, is, aangezien de bandbreedte van een enkele verliespiek in de orde van 10 nm ligt, een breedspectrumlichtbron met voldoende bandbreedte en een relatief vlak spectrum vereist om de resonantie ervan nauwkeurig te karakteriseren. piek kenmerken. In het bijzonder kan een akoestisch vezelrooster (AIFG), geconstrueerd door gebruik te maken van een akoesto-optisch effect, een afstemmingsbereik bereiken met een resonante golflengte tot 1000 nm door middel van elektrische afstemming. Daarom vormen dynamische roostertests met een dergelijk ultrabreed afstembereik een grote uitdaging voor het bandbreedtebereik van een breedspectrumlichtbron. Op dezelfde manier is het gekantelde Bragg-vezelrooster de afgelopen jaren ook op grote schaal gebruikt op het gebied van vezeldetectie. Vanwege de multi-piek verliesspectrumkarakteristieken kan het golflengteverdelingsbereik gewoonlijk 40 nm bereiken. Het detectiemechanisme is meestal bedoeld 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 breedspectrumlichtbron moeten hoger zijn.
2. Onderzoeksstatus in binnen- en buitenland
2.1 Laserlichtbron met smalle lijnbreedte
2.1.1 Halfgeleider gedistribueerde feedbacklaser met smalle lijnbreedte
In 2006 hebben Cliche et al. verkleinde de MHz-schaal van halfgeleidersDFB-laser(gedistribueerde feedbacklaser) op kHz-schaal met behulp van elektrische feedbackmethode; In 2011 hebben Kessler et al. gebruikte eenkristalholte bij lage temperatuur en hoge stabiliteit gecombineerd met actieve feedbackcontrole om een laseruitvoer met ultrasmalle lijnbreedte van 40 MHz te verkrijgen; In 2013 verkregen Peng et al. een halfgeleiderlaseruitvoer met een lijnbreedte van 15 kHz door gebruik te maken van de methode van externe Fabry-Perot (FP) feedbackaanpassing. De elektrische feedbackmethode maakte voornamelijk gebruik van de Pond-Drever-Hall-frequentiestabilisatiefeedback om de laserlijnbreedte van de lichtbron te verkleinen. In 2010 hebben Bernhardi et al. produceerde 1 cm erbium-gedoteerde aluminiumoxide FBG op een siliciumoxidesubstraat om een laseruitvoer te verkrijgen met een lijnbreedte van ongeveer 1,7 kHz. In hetzelfde jaar hebben Liang et al. gebruikte de zelfinjectiefeedback van achterwaartse Rayleigh-verstrooiing gevormd door een echowandresonator met hoge Q voor lijnbreedtecompressie van halfgeleiderlasers, zoals weergegeven in figuur 1, en verkreeg uiteindelijk een laseruitgang met smalle lijnbreedte van 160 Hz.
Fig. 1 (a) Diagram van halfgeleiderlaserlijnbreedtecompressie gebaseerd op de zelfinjectie Rayleigh-verstrooiing van een externe fluistergalerijmodusresonator;
(b) Frequentiespectrum van de vrijlopende halfgeleiderlaser met een lijnbreedte van 8 MHz;
(c) Frequentiespectrum van de laser met lijnbreedte gecomprimeerd tot 160 Hz
2.1.2 Fiberlaser met smalle lijnbreedte
Voor vezellasers met lineaire holte wordt de laseruitvoer met smalle lijnbreedte van de enkele longitudinale modus verkregen door de lengte van de resonator te verkorten en het longitudinale modusinterval te vergroten. In 2004 hebben Spiegelberg et al. verkregen een laseruitvoer met smalle lijnbreedte in enkele longitudinale modus met een lijnbreedte van 2 kHz met behulp van de DBR-korte holtemethode. In 2007 hebben Shen et al. gebruikte een zwaar erbium-gedoteerde siliciumvezel van 2 cm om FBG te schrijven op een Bi-Ge co-gedoteerde lichtgevoelige vezel, en versmolt deze met een actieve vezel om een compacte lineaire holte te vormen, waardoor de laseruitvoerlijnbreedte minder dan 1 kHz was. In 2010 hebben Yang et al. gebruikte een 2 cm hooggedoteerde korte lineaire holte gecombineerd met een smalband FBG-filter om een laseruitvoer in de longitudinale modus 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 laseruitvoer met een smallere lijnbreedte te verkrijgen, zoals weergegeven in figuur 3. In 2012 hebben Cai et al. gebruikte een 1,4 cm korte holtestructuur om een polariserende laseruitvoer te verkrijgen met een uitgangsvermogen van meer dan 114 mW, een centrale golflengte van 1540,3 nm en een lijnbreedte van 4,1 kHz. In 2013 hebben Meng et al. gebruikte Brillouin-verstrooiing van met erbium gedoteerde vezels met een korte ringholte van een apparaat met volledige bias om een laseruitvoer met lage faseruis en een enkele longitudinale modus te verkrijgen met een uitgangsvermogen van 10 mW. In 2015 gebruikte het team een ringholte bestaande uit erbium-gedoteerde vezels van 45 cm als het Brillouin-verstrooiingsversterkingsmedium om een laseruitvoer met lage drempel en smalle lijnbreedte te verkrijgen.
Fig. 2 (a) Schematische tekening van de SLC-vezellaser;
(b) Lijnvorm van het heterodyne signaal gemeten met een vezelvertraging van 97,6 km
Posttijd: 20 november 2023