Laserbrontechnologie vooroptische vezelWaarnemen Deel Een
Optische vezelsensortechnologie is een sensortechnologie die zich parallel aan de optische vezeltechnologie en optische vezelcommunicatietechnologie heeft ontwikkeld en is uitgegroeid tot een van de meest actieve takken van de foto-elektrische technologie. Een optisch vezelsensorsysteem bestaat hoofdzakelijk uit een laser, een transmissievezel, een sensorelement of modulatiegebied, een lichtdetector en andere onderdelen. De parameters die de kenmerken van een lichtgolf beschrijven, omvatten intensiteit, golflengte, fase, polarisatietoestand, enzovoort. Deze parameters kunnen veranderen door externe invloeden in de optische vezeltransmissie. Wanneer bijvoorbeeld temperatuur, spanning, druk, stroom, verplaatsing, trillingen, rotatie, buiging en chemische samenstelling het optische pad beïnvloeden, veranderen deze parameters dienovereenkomstig. Optische vezelsensortechnologie is gebaseerd op de relatie tussen deze parameters en externe factoren om de corresponderende fysische grootheden te detecteren.
Er zijn veel soortenlaserbrongebruikt in optische vezelsensorsystemen, die in twee categorieën kunnen worden verdeeld: coherentelaserbronnenen onsamenhangende lichtbronnen, onsamenhangendlichtbronnenTot de coherente lichtbronnen behoren hoofdzakelijk gloeilampen en lichtemitterende diodes, terwijl onder de coherente lichtbronnen vaste-stoflasers, vloeibare lasers en gaslasers behoren.halfgeleiderlaserEnvezellaserHet volgende is voornamelijk bedoeld voor delaserlichtbronDe afgelopen jaren zijn de volgende lasers veelvuldig gebruikt in de glasvezelsensortechnologie: de laser met smalle lijnbreedte en één frequentie, de laser met één golflengte en frequentievariatie, en de witte laser.
1.1 Vereisten voor smalle lijnbreedtelaserlichtbronnen
Een optisch vezelsensorsysteem is onlosmakelijk verbonden met de laserbron, aangezien de te meten signaaldrager de lichtgolf is. De prestaties van de laserbron zelf, zoals vermogensstabiliteit, laserlijnbreedte, faseruis en andere parameters, spelen een cruciale rol in de detectieafstand, detectienauwkeurigheid, gevoeligheid en ruiskarakteristieken van het optische vezelsensorsysteem. De laatste jaren, met de ontwikkeling van optische vezelsensorsystemen met ultrahoge resolutie voor lange afstanden, stellen zowel de academische wereld als de industrie steeds hogere eisen aan de lijnbreedteprestaties van laserminiaturisatie. Optische frequentiedomeinreflectie (OFDR)-technologie maakt gebruik van coherente detectietechnologie om de terugverstrooide Rayleigh-signalen van optische vezels in het frequentiedomein te analyseren, met een breed bereik (duizenden meters). De voordelen van hoge resolutie (millimeterresolutie) en hoge gevoeligheid (tot -100 dBm) hebben deze technologie tot een veelbelovende technologie gemaakt voor gedistribueerde optische vezelmeting en -sensortechnologie. De kern van OFDR-technologie is het gebruik van een afstembaar lichtbron om optische frequentieafstemming te bereiken. De prestaties van de laserbron bepalen daarom cruciale factoren zoals het detectiebereik, de gevoeligheid en de resolutie van OFDR. Wanneer de afstand tussen de reflectiepunten dicht bij de coherentielengte ligt, wordt de intensiteit van het beatsignaal exponentieel verzwakt met de coëfficiënt τ/τc. Voor een Gaussische lichtbron met een spectrale vorm geldt dat, om ervoor te zorgen dat de beatfrequentie voor meer dan 90% zichtbaar is, de relatie tussen de lijnbreedte van de lichtbron en de maximaal haalbare detectielengte van het systeem Lmax~0,04vg/f is. Dit betekent dat voor een vezel met een lengte van 80 km de lijnbreedte van de lichtbron minder dan 100 Hz moet zijn. Daarnaast stellen de ontwikkelingen in andere toepassingen ook hogere eisen aan de lijnbreedte van de lichtbron. In een optisch vezelhydrofoonsysteem bepaalt de lijnbreedte van de lichtbron bijvoorbeeld de systeemruis en het minimaal meetbare signaal van het systeem. Bij een Brillouin optische tijddomeinreflector (BOTDR) wordt de meetresolutie van temperatuur en spanning voornamelijk bepaald door de lijnbreedte van de lichtbron. In een resonator-glasvezelgyroscoop kan de coherentielengte van de lichtgolf worden vergroot door de lijnbreedte van de lichtbron te verkleinen, waardoor de fijnheid en resonantiediepte van de resonator worden verbeterd, de lijnbreedte van de resonator wordt verkleind en de meetnauwkeurigheid van de glasvezelgyroscoop wordt gewaarborgd.
1.2 Vereisten voor sweep-laserbronnen
Een laser met een enkele golflengte-sweep heeft flexibele golflengte-afstemmingsmogelijkheden, kan meerdere lasers met een vaste golflengte vervangen, verlaagt de systeemkosten en is een onmisbaar onderdeel van optische vezelsensorsystemen. Bijvoorbeeld bij het detecteren van sporen van gassen in glasvezels, hebben verschillende gassen verschillende absorptiepieken. Om een hoge lichtabsorptie-efficiëntie te garanderen wanneer er voldoende gas aanwezig 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 sensorlichtbron. Daarom hebben lasers met een smalle lijnbreedte en stabiele breedbandafstemmingsmogelijkheden een hogere meetflexibiliteit in dergelijke sensorsystemen. Bijvoorbeeld in sommige gedistribueerde optische vezelsensorsystemen gebaseerd op optische frequentiedomeinreflectie, moet de laser snel periodiek worden gesweept om zeer nauwkeurige coherente detectie en demodulatie van optische signalen te bereiken. Dit stelt relatief hoge eisen aan de modulatiesnelheid van de laserbron en de sweepsnelheid van de instelbare laser moet doorgaans 10 pm/μs bedragen. Daarnaast kan de golflengte-afstemmbare laser met smalle lijnbreedte ook breed worden ingezet in liDAR, laserremote sensing, hoge-resolutie spectrale analyse en andere sensorische toepassingen. Om te voldoen aan de hoge prestatie-eisen op het gebied van afstembandbreedte, afstemnauwkeurigheid en afstemsnelheid van lasers met één golflengte in de vezelsensortechnologie, is het overkoepelende doel van het onderzoek naar afstemmbare vezellasers met smalle lijnbreedte in de afgelopen jaren het bereiken van zeer nauwkeurige afstemming over een groter golflengtebereik, gebaseerd op het nastreven van een ultrasmalle laserlijnbreedte, ultralage faseruis en ultrastabiele uitgangsfrequentie en -vermogen.
1.3 Vraag naar witte laserlichtbronnen
In de optische sensortechnologie is een hoogwaardige witte laser van groot belang voor het verbeteren van de systeemprestaties. Hoe breder het spectrum van de witte laser, hoe uitgebreider de toepassingsmogelijkheden in optische vezelsensorsystemen. Bijvoorbeeld, bij het gebruik van fiber Bragg gratings (FBG's) voor de constructie van een sensornetwerk, kan spectrale analyse of een afstembaar filter worden gebruikt voor demodulatie. Bij de eerste methode wordt een spectrometer gebruikt om de resonantiegolflengte van elke FBG in het netwerk direct te testen. Bij de tweede methode wordt een referentiefilter gebruikt om de FBG in de sensor te volgen en te kalibreren. Beide methoden vereisen een breedbandlichtbron als testlichtbron voor de FBG. Omdat elk FBG-toegangsnetwerk een bepaald invoegverlies heeft en een bandbreedte van meer dan 0,1 nm, vereist de gelijktijdige demodulatie van meerdere FBG's een breedbandlichtbron met een hoog vermogen en een hoge bandbreedte. Bijvoorbeeld, bij het gebruik van een long period fiber grating (LPFG) voor detectie, is, aangezien de bandbreedte van een enkele verliespiek in de orde van 10 nm ligt, een breedbandige lichtbron met voldoende bandbreedte en een relatief vlak spectrum nodig om de resonantiepiekkarakteristieken nauwkeurig te karakteriseren. Met name akoestische fiber gratings (AIFG), geconstrueerd door gebruik te maken van het akoestisch-optische effect, kunnen door middel van elektrische afstemming een afstemmingsbereik van de resonantiegolflengte tot 1000 nm bereiken. Dynamische gratingtests met een dergelijk ultrabreed afstemmingsbereik vormen daarom een grote uitdaging voor het bandbreedtebereik van een breedbandige lichtbron. Evenzo wordt de laatste jaren ook de tilted Bragg fiber grating veelvuldig gebruikt op het gebied van vezeldetectie. Vanwege de multi-piekige verliesspectrumkarakteristieken kan het golflengtebereik doorgaans 40 nm bereiken. Het detectiemechanisme is meestal gebaseerd op 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 breedbandige lichtbron moeten daarom hoger zijn.
2. Onderzoeksstatus in binnen- en buitenland
2.1 Laserlichtbron met smalle lijnbreedte
2.1.1 Halfgeleiderlaser met smalle lijnbreedte en gedistribueerde terugkoppeling
In 2006 hebben Cliche et al. de MHz-schaal van halfgeleiders verkleind.DFB-laser(distributed feedback laser) tot kHz-schaal met behulp van de elektrische feedbackmethode; In 2011 gebruikten Kessler et al. een lage temperatuur en zeer stabiele enkelkristalholte in combinatie met actieve feedbackregeling om een laseroutput met een ultrasmalle lijnbreedte van 40 MHz te verkrijgen; In 2013 verkregen Peng et al. een halfgeleiderlaseroutput 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 produceerden Bernhardi et al. 1 cm erbium-gedoteerde aluminiumoxide FBG op een siliciumoxidesubstraat om een laseroutput te verkrijgen met een lijnbreedte van ongeveer 1,7 kHz. In hetzelfde jaar produceerden Liang et al. We maakten gebruik van de zelfinjectie-feedback van achterwaartse Rayleigh-verstrooiing, gevormd door een echowandresonator met een hoge Q-factor, voor het comprimeren van de lijnbreedte van een halfgeleiderlaser, zoals weergegeven in Figuur 1, en verkregen uiteindelijk een laseruitgang met een smalle lijnbreedte van 160 Hz.
Figuur 1 (a) Diagram van de lijnbreedtecompressie van een halfgeleiderlaser gebaseerd op de zelfinjectie Rayleigh-verstrooiing van een externe whispering gallery mode-resonator;
(b) Frequentiespectrum van de vrijlopende halfgeleiderlaser met een lijnbreedte van 8 MHz;
(c) Frequentiespectrum van de laser met een lijnbreedte van 160 Hz
2.1.2 Vezellaser met smalle lijnbreedte
Bij lineaire vezellasers met een resonator wordt een laseroutput met een smalle lijnbreedte en een enkele longitudinale modus verkregen door de lengte van de resonator te verkorten en het interval tussen de longitudinale modi te vergroten. In 2004 behaalden Spiegelberg et al. een laseroutput met een smalle lijnbreedte van 2 kHz en een enkele longitudinale modus door gebruik te maken van de DBR-methode met een korte resonator. In 2007 gebruikten Shen et al. een 2 cm lange, sterk met erbium gedoteerde siliciumvezel om een FBG (Fiber Bragg Grating) te schrijven op een Bi-Ge-gedoteerde lichtgevoelige vezel en smolten deze samen met een actieve vezel om een compacte lineaire resonator te vormen, waardoor de lijnbreedte van de laseroutput minder dan 1 kHz bedroeg. In 2010 gebruikten Yang et al. een 2 cm lange, sterk gedoteerde, korte lineaire resonator in combinatie met een smalbandig FBG-filter om een laseroutput met een enkele longitudinale modus en een lijnbreedte van minder dan 2 kHz te verkrijgen. In 2014 gebruikte het team een korte lineaire holte (virtuele gevouwen ringresonator) in combinatie met een FBG-FP-filter om een laseruitgang met een smallere lijnbreedte te verkrijgen, zoals weergegeven in Figuur 3. In 2012 gebruikten Cai et al. een korte holtestructuur van 1,4 cm om een polariserende laseruitgang 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 gebruikten Meng et al. Brillouin-verstrooiing van erbium-gedopte vezels met een korte ringholte van een volledig bias-behoudende vezel om een laseruitgang met één 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-gedopte vezels als Brillouin-verstrooiingsversterkingsmedium om een laseruitgang met een lage drempelwaarde en smalle lijnbreedte te verkrijgen.
Figuur 2 (a) Schematische tekening van de SLC-vezellaser;
(b) Lijnvorm van het heterodynesignaal gemeten met een vezelvertraging van 97,6 km
Geplaatst op: 20 november 2023