Laserbrontechnologie vooroptische vezelvoelen Deel Een
Sensortechnologie voor optische vezels is een soort sensortechnologie die samen met optische vezels en optische communicatietechnologie is ontwikkeld en is uitgegroeid tot een van de meest actieve takken van foto-elektrische technologie. Sensorsystemen voor optische vezels bestaan voornamelijk uit lasers, transmissievezels, sensorelementen of modulatiegebieden, lichtdetectie en andere onderdelen. De parameters die de kenmerken van de lichtgolf beschrijven, zijn onder andere intensiteit, golflengte, fase, polarisatietoestand, enz. Deze parameters kunnen worden gewijzigd door externe invloeden op de transmissie van optische vezels. Wanneer bijvoorbeeld temperatuur, spanning, druk, stroomsterkte, verplaatsing, trillingen, rotatie, buiging en chemische hoeveelheden het optische pad beïnvloeden, veranderen deze parameters overeenkomstig. Sensortechnologie voor optische vezels is gebaseerd op de relatie tussen deze parameters en externe factoren om de corresponderende fysieke grootheden te detecteren.
Er zijn veel soortenlaserbrongebruikt in optische vezel-sensorsystemen, die kunnen worden onderverdeeld in twee categorieën: coherentlaserbronnenen incoherente lichtbronnen, incoherentelichtbronnenomvatten voornamelijk gloeilampen en lichtgevende diodes, en coherente lichtbronnen omvatten vaste lasers, vloeibare lasers, gaslasers,halfgeleiderlaserEnvezellaserHet volgende is voornamelijk bedoeld voor delaserlichtbronOp grote schaal gebruikt op het gebied van vezeldetectie de laatste jaren: laser met smalle lijnbreedte en enkele frequentie, laser met enkele golflengte en sweepfrequentie en witte laser.
1.1 Vereisten voor smalle lijnbreedtelaserlichtbronnen
Het optische vezeldetectiesysteem kan niet worden gescheiden van de laserbron, aangezien de gemeten signaaldraaggolf, de prestaties van de laserlichtbron zelf, zoals vermogensstabiliteit, laserlijnbreedte, faseruis en andere parameters op de detectieafstand, detectienauwkeurigheid, gevoeligheid en ruiskarakteristieken van het optische vezeldetectiesysteem een doorslaggevende rol spelen. In de afgelopen jaren, met de ontwikkeling van optische vezeldetectiesystemen met ultrahoge resolutie over lange afstanden, hebben de academische wereld en de industrie 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 een hoge resolutie (millimeterresolutie) en hoge gevoeligheid (tot -100 dBm) zijn een van de technologieën geworden met brede toepassingsmogelijkheden in gedistribueerde optische vezelmeet- en detectietechnologie. De kern van OFDR-technologie is het gebruik van een instelbare lichtbron om optische frequentieafstemming te bereiken. De prestaties van de laserbron bepalen daarom belangrijke factoren zoals OFDR-detectiebereik, gevoeligheid en resolutie. Wanneer de afstand van het reflectiepunt dicht bij de coherentielengte ligt, wordt de intensiteit van het pulssignaal exponentieel verzwakt met de coëfficiënt τ/τc. Om voor een Gaussische lichtbron met een spectrale vorm een zichtbaarheid van meer dan 90% te garanderen, is de verhouding tussen de lijnbreedte van de lichtbron en de maximale detectielengte die het systeem kan bereiken Lmax~0,04vg/f. Dit betekent dat voor een vezel met een lengte van 80 km de lijnbreedte van de lichtbron minder dan 100 Hz is. Daarnaast stelt de ontwikkeling van andere toepassingen ook hogere eisen aan de lijnbreedte van de lichtbron. In het optische vezelhydrofoonsysteem bepaalt de lijnbreedte van de lichtbron bijvoorbeeld de systeemruis en het minimaal meetbare signaal van het systeem. In een Brillouin optische tijdsdomeinreflector (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. Dit verbetert de fijnheid en resonantiediepte van de resonator, verkleint de lijnbreedte van de resonator en waarborgt de meetnauwkeurigheid van de glasvezelgyro.
1.2 Vereisten voor sweeplaserbronnen
Een sweeplaser met één golflengte heeft flexibele golflengte-afstemming, kan lasers met meerdere uitgangen met een vaste golflengte vervangen, verlaagt de systeembouwkosten en 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 af te stemmen op de absorptiepiek van het gasmolecuul. Het type gas dat kan worden gedetecteerd, wordt in wezen bepaald door de golflengte van de detectielichtbron. Daarom hebben lasers met een smalle lijnbreedte en stabiele breedbandafstemming een hogere meetflexibiliteit in dergelijke detectiesystemen. In sommige gedistribueerde optische vezeldetectiesystemen, gebaseerd op reflectie in het optische frequentiedomein, moet de laser bijvoorbeeld snel en periodiek worden gesweept om een zeer nauwkeurige coherente detectie en demodulatie van optische signalen te bereiken. De modulatiesnelheid van de laserbron stelt daarom relatief hoge eisen en de sweepsnelheid van de instelbare laser moet doorgaans 10 pm/μs bereiken. Bovendien kan de golflengte-afstembare laser met smalle lijnbreedte ook breed worden gebruikt in LiDAR, laser-remote sensing, spectrale analyse met hoge resolutie en andere sensortoepassingen. Om te voldoen aan de eisen van hoge prestatieparameters zoals afstembandbreedte, afstemnauwkeurigheid en afstemsnelheid van lasers met één golflengte op het gebied van fiberdetectie, is het algemene doel van de studie van afstembare fiberlasers met smalle breedte de afgelopen jaren het bereiken van een zeer nauwkeurige afstemming in een groter golflengtebereik op basis van het streven naar een ultrasmalle laserlijnbreedte, extreem lage faseruis en een ultrastabiele uitgangsfrequentie en -vermogen.
1.3 Vraag naar een witte laserlichtbron
Op het gebied van optische detectie is een hoogwaardige witte lichtlaser van groot belang om de prestaties van het systeem te verbeteren. Hoe breder de spectrumdekking van de witte lichtlaser, hoe uitgebreider de toepassing ervan in optische vezeldetectiesystemen. Bij het gebruik van bijvoorbeeld een fiber-Bragg-rooster (FBG) om een sensornetwerk te construeren, kan spectrale analyse of een afstembare filtermethode worden gebruikt voor demodulatie. De eerste methode gebruikt een spectrometer om elke resonante FBG-golflengte in het netwerk direct te testen. De tweede methode gebruikt een referentiefilter om de FBG in de detectie te volgen en te kalibreren. Beide methoden vereisen een breedbandige lichtbron als testlichtbron voor de FBG. Omdat elk FBG-toegangsnetwerk een bepaald invoegverlies heeft en een bandbreedte van meer dan 0,1 nm heeft, vereist de gelijktijdige demodulatie van meerdere FBG's een breedbandige lichtbron met een hoog vermogen en een hoge bandbreedte. Bij het gebruik van bijvoorbeeld een long-period fiber grating (LPFG) voor detectie 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 resonantiepiekkarakteristieken ervan nauwkeurig te karakteriseren. Met name akoestische fiber gratings (AIFG), geconstrueerd met behulp van akoestisch-optische effecten, kunnen een afstemmingsbereik van resonantiegolflengten tot 1000 nm bereiken door middel van elektrische afstemming. Dynamische roostertests met een dergelijk ultrabreed afstemmingsbereik vormen daarom een grote uitdaging voor het bandbreedtebereik van een breedspectrumlichtbron. Evenzo is de laatste jaren ook gekanteld Bragg-vezelrooster veelvuldig gebruikt in vezeldetectie. Vanwege de kenmerken van het multi-piekverliesspectrum kan het golflengteverdelingsbereik doorgaans 40 nm bereiken. Het detectiemechanisme bestaat meestal uit het vergelijken van de relatieve beweging tussen meerdere transmissiepieken, waardoor het noodzakelijk is 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 Halfgeleiderlaser met smalle lijnbreedte en gedistribueerde feedback
In 2006 hebben Cliche et al. de MHz-schaal van halfgeleiders verkleindDFB-laser(gedistribueerde feedbacklaser) naar kHz-schaal met behulp van elektrische feedbackmethode; In 2011 gebruikten Kessler et al. een enkelvoudige kristalholte met lage temperatuur en hoge stabiliteit in combinatie met actieve feedbackregeling 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 gebruikte voornamelijk de Pond-Drever-Hall frequentiestabilisatiefeedback om de laserlijnbreedte van de lichtbron te verkleinen. In 2010 produceerden Bernhardi et al. 1 cm erbium-gedopeerd alumina FBG op een siliciumoxidesubstraat om een laseruitvoer te verkrijgen met een lijnbreedte van ongeveer 1,7 kHz. In hetzelfde jaar, Liang et al. maakte gebruik van de zelfinjectiefeedback van achterwaartse Rayleigh-verstrooiing, gevormd door een echo-wandresonator met hoge Q voor lijnbreedtecompressie van halfgeleiderlasers, zoals weergegeven in Afbeelding 1, en verkreeg uiteindelijk een laseruitgang met smalle lijnbreedte van 160 Hz.
Figuur 1 (a) Diagram van lijnbreedtecompressie van halfgeleiderlasers op basis van de zelfinjectie-Rayleigh-verstrooiing van een externe fluistergalerijmodusresonator;
(b) Frequentiespectrum van de vrijlopende halfgeleiderlaser met lijnbreedte van 8 MHz;
(c) Frequentiespectrum van de laser met lijnbreedte gecomprimeerd tot 160 Hz
2.1.2 Vezellaser met smalle lijnbreedte
Voor fiberlasers met lineaire holte wordt de laseruitvoer met smalle lijnbreedte van een enkele longitudinale modus verkregen door de lengte van de resonator te verkorten en het interval van de longitudinale modus te vergroten. In 2004 verkregen Spiegelberg et al. een laseruitvoer met smalle lijnbreedte in een enkele longitudinale modus met een lijnbreedte van 2 kHz met behulp van de DBR-methode met korte holte. In 2007 gebruikten Shen et al. een 2 cm dikke erbiumgedoteerde siliciumvezel om FBG te schrijven op een Bi-Ge co-gedoteerde lichtgevoelige vezel en fuseerden deze met een actieve vezel om een compacte lineaire holte te vormen, waardoor de laseruitvoerlijnbreedte minder dan 1 kHz bedroeg. In 2010 gebruikten Yang et al. een 2 cm dikke gedoteerde korte lineaire holte in combinatie met een smalband FBG-filter om een laseruitvoer met enkele longitudinale modus te verkrijgen met een lijnbreedte van minder dan 2 kHz. In 2014 gebruikte het team een korte lineaire holte (virtuele gevouwen ringresonator) in combinatie met een FBG-FP-filter om een laseruitvoer te verkrijgen met een smallere lijnbreedte, zoals weergegeven in Afbeelding 3. In 2012 gebruikten Cai et al. een korte holtestructuur van 1,4 cm om een polariserende laseruitvoer 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 gebruikten Meng et al. Brillouin-verstrooiing van erbium-gedoteerde vezels met een korte ringholte van een full-bias-behoudend apparaat om een laseruitvoer met enkele longitudinale modus en lage faseruis te verkrijgen met een uitgangsvermogen van 10 mW. In 2015 gebruikte het team een ringholte bestaande uit 45 cm erbium-gedoteerde vezels als het Brillouin-verstrooiingsversterkingsmedium om een laseruitvoer met lage drempel en smalle lijnbreedte te verkrijgen.
Figuur 2 (a) Schematische tekening van de SLC-vezellaser;
(b) Lijnvorm van het heterodyne signaal gemeten met een vezelvertraging van 97,6 km
Plaatsingstijd: 20-11-2023