Технология лазерного источника дляоптическое волокноощущение, часть первая
Технология обнаружения оптического волокна - это своего рода технология измерения, разработанная наряду с технологией оптического волокна и технологией связи по оптоволокну, и она стала одной из наиболее активных отраслей фотоэлектрических технологий. Оптоволоконная чувствительная система в основном состоит из лазера, передающего волокна, чувствительного элемента или области модуляции, детектора света и других частей. Параметры, описывающие характеристики световой волны, включают интенсивность, длину волны, фазу, состояние поляризации и т. д. Эти параметры могут быть изменены внешними воздействиями при передаче по оптическому волокну. Например, когда температура, деформация, давление, ток, смещение, вибрация, вращение, изгиб и количество химических веществ влияют на оптический путь, эти параметры соответственно изменяются. Обнаружение оптического волокна основано на взаимосвязи между этими параметрами и внешними факторами для обнаружения соответствующих физических величин.
Существует много типовлазерный источникиспользуются в волоконно-оптических сенсорных системах, которые можно разделить на две категории: когерентныелазерные источникии некогерентные источники света, некогерентныеисточники светав основном включают лампы накаливания и светодиоды, а источники когерентного света включают твердотельные лазеры, жидкостные лазеры, газовые лазеры,полупроводниковый лазериволоконный лазер. Следующее в основном предназначено длялазерный источник светаВ последние годы широко используются в области волоконного зондирования: одночастотный лазер с узкой шириной линии, одноволновой лазер с частотой развертки и белый лазер.
1.1 Требования к узкой ширине линиилазерные источники света
Система обнаружения оптического волокна не может быть отделена от источника лазера, так как измеряемая световая волна несущей сигнала, характеристики самого источника лазерного света, такие как стабильность мощности, ширина линии лазера, фазовый шум и другие параметры системы обнаружения оптического волокна, расстояние обнаружения, обнаружение Решающую роль играют точность, чувствительность и шумовые характеристики. В последние годы, с развитием оптоволоконных сенсорных систем сверхвысокого разрешения на большие расстояния, научные круги и промышленность выдвинули более строгие требования к характеристикам ширины линии лазерной миниатюризации, главным образом в следующих областях: Технология отражения в оптической частотной области (OFDR) использует когерентную Технология обнаружения для анализа рассеянных по оптическим волокнам сигналов в частотной области с широким охватом (тысячи метров). Преимущества высокого разрешения (разрешение на уровне миллиметра) и высокой чувствительности (до -100 дБм) стали одной из технологий с широкими перспективами применения в технологиях распределенных волоконно-оптических измерений и зондирования. Суть технологии OFDR заключается в использовании перестраиваемого источника света для достижения настройки оптической частоты, поэтому характеристики лазерного источника определяют такие ключевые факторы, как дальность обнаружения OFDR, чувствительность и разрешение. Когда расстояние до точки отражения близко к длине когерентности, интенсивность сигнала биений будет экспоненциально ослабляться коэффициентом τ/τc. Для источника гауссова света со спектральной формой, чтобы гарантировать, что частота биений имеет видимость более 90%, соотношение между шириной линии источника света и максимальной длиной чувствительности, которую может достичь система, составляет Lmax ~ 0,04vg. /f, что означает, что для волокна длиной 80 км ширина линии источника света составляет менее 100 Гц. Кроме того, развитие других приложений также выдвинуло более высокие требования к ширине линии источника света. Например, в системе волоконно-оптического гидрофона ширина линии источника света определяет шум системы, а также минимальный измеряемый сигнал системы. В бриллюэновском оптическом отражателе во временной области (BOTDR) разрешение измерения температуры и напряжения в основном определяется шириной линии источника света. В резонаторном волоконно-оптическом гироскопе длину когерентности световой волны можно увеличить за счет уменьшения ширины линии источника света, тем самым улучшая тонкость и глубину резонанса резонатора, уменьшая ширину линии резонатора и обеспечивая измерение точность оптоволоконного гироскопа.
1.2 Требования к лазерным источникам развертки
Лазер развертки с одной длиной волны обладает гибкой настройкой длины волны, может заменить несколько выходных лазеров с фиксированной длиной волны, снизить стоимость конструкции системы, является незаменимой частью системы обнаружения оптического волокна. Например, при оптоволоконном зондировании газовых примесей разные виды газов имеют разные пики поглощения газа. Чтобы обеспечить эффективность поглощения света при достаточном количестве измерительного газа и добиться более высокой чувствительности измерения, необходимо совместить длину волны источника пропускающего света с пиком поглощения молекулы газа. Тип газа, который можно обнаружить, по существу определяется длиной волны источника чувствительного света. Следовательно, лазеры с узкой шириной линии и стабильными характеристиками широкополосной настройки обладают большей гибкостью измерений в таких сенсорных системах. Например, в некоторых распределенных волоконно-оптических системах обнаружения, основанных на отражении в оптической частотной области, лазер необходимо быстро периодически качать для достижения высокоточного когерентного обнаружения и демодуляции оптических сигналов, поэтому к скорости модуляции лазерного источника предъявляются относительно высокие требования. , а скорость развертки регулируемого лазера обычно должна достигать 10 пм/мкс. Кроме того, лазер с узкой шириной линии и перестраиваемой длиной волны также может широко использоваться в liDAR, лазерном дистанционном зондировании, спектральном анализе высокого разрешения и других областях зондирования. Чтобы удовлетворить требованиям высоких характеристик полосы настройки, точности настройки и скорости настройки одноволновых лазеров в области волоконного зондирования, общая цель исследования перестраиваемых волоконных лазеров узкой ширины в последние годы состоит в достижении высоких показателей. точная настройка в более широком диапазоне длин волн на основе достижения сверхузкой ширины линии лазера, сверхнизкого фазового шума и сверхстабильной выходной частоты и мощности.
1.3 Спрос на источник белого лазерного света
В области оптического зондирования высококачественный лазер белого света имеет большое значение для улучшения производительности системы. Чем шире спектральный охват лазера белого света, тем шире его применение в волоконно-оптических сенсорных системах. Например, при использовании волоконной брэгговской решетки (ВБР) для построения сенсорной сети для демодуляции можно использовать спектральный анализ или метод согласования настраиваемых фильтров. Первый использовал спектрометр для непосредственного тестирования каждой резонансной длины волны ВБР в сети. Последний использует эталонный фильтр для отслеживания и калибровки ВБР при считывании, оба из которых требуют широкополосного источника света в качестве тестового источника света для ВБР. Поскольку каждая сеть доступа ВБР будет иметь определенные вносимые потери и иметь полосу пропускания более 0,1 нм, для одновременной демодуляции нескольких ВБР требуется широкополосный источник света с высокой мощностью и высокой пропускной способностью. Например, при использовании длиннопериодной волоконной решетки (LPFG) для считывания, поскольку полоса пропускания одного пика потерь составляет порядка 10 нм, требуется источник света широкого спектра с достаточной полосой пропускания и относительно плоским спектром, чтобы точно охарактеризовать его резонансный спектр. пиковые характеристики. В частности, акустоволоконная решетка (АВФ), построенная с использованием акустооптического эффекта, позволяет за счет электрической настройки достичь диапазона настройки резонансной длины волны до 1000 нм. Таким образом, тестирование динамических решеток с таким сверхшироким диапазоном настройки представляет собой серьезную проблему для диапазона полосы пропускания источника света с широким спектром. Аналогичным образом, в последние годы наклонная волоконная брэгговская решетка также широко использовалась в области волоконного зондирования. Благодаря характеристикам многопикового спектра потерь диапазон распределения длин волн обычно может достигать 40 нм. Его чувствительный механизм обычно заключается в сравнении относительного движения нескольких пиков передачи, поэтому необходимо полностью измерить спектр передачи. Полоса пропускания и мощность источника света широкого спектра должны быть выше.
2. Статус исследований в стране и за рубежом
2.1. Источник лазерного света с узкой шириной линии.
2.1.1. Полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью с узкой шириной линии.
В 2006 году Клише и др. уменьшена шкала МГц полупроводникаDFB-лазер(лазер с распределенной обратной связью) в масштабе кГц с использованием метода электрической обратной связи; В 2011 году Кесслер и др. использован низкотемпературный и высокостабильный монокристаллический резонатор в сочетании с активным управлением с обратной связью для получения лазерного излучения со сверхузкой шириной линии 40 МГц; В 2013 году Пэн и др. получили выходной сигнал полупроводникового лазера с шириной линии 15 кГц, используя метод внешней настройки обратной связи Фабри-Перо (FP). В методе электрической обратной связи в основном использовалась обратная связь стабилизации частоты Понд-Древера-Холла, чтобы уменьшить ширину лазерной линии источника света. В 2010 году Бернхарди и др. изготовил 1 см ВБР из оксида алюминия, легированного эрбием, на подложке из оксида кремния, чтобы получить лазерный выход с шириной линии около 1,7 кГц. В том же году Лян и др. использовал обратную связь самоинжекции обратного рэлеевского рассеяния, образованную стеночным резонатором с высокой добротностью для сжатия ширины линии полупроводникового лазера, как показано на рисунке 1, и, наконец, получил лазерный выход с узкой шириной линии 160 Гц.
Рис. 1 (а) Схема сжатия ширины линии полупроводникового лазера на основе самоинжекционного рэлеевского рассеяния внешнего резонатора моды шепчущей галереи;
(б) Частотный спектр свободно бегущего полупроводникового лазера с шириной линии 8 МГц;
(в) Частотный спектр лазера со сжатой до 160 Гц шириной линии.
2.1.2 Волоконный лазер с узкой шириной линии
Для волоконных лазеров с линейным резонатором выходная мощность лазера с узкой шириной линии одной продольной моды достигается за счет сокращения длины резонатора и увеличения интервала продольных мод. В 2004 году Шпигельберг и др. получили выходной сигнал лазера с узкой шириной линии в одной продольной моде и шириной линии 2 кГц, используя метод короткого резонатора DBR. В 2007 году Шен и др. использовал 2-сантиметровое кремниевое волокно, сильно легированное эрбием, для записи ВБР на фоточувствительном волокне, легированном Bi-Ge, и сплавил его с активным волокном, чтобы сформировать компактный линейный резонатор, в результате чего ширина выходной линии лазера составила менее 1 кГц. В 2010 году Ян и др. использовал 2-сантиметровый сильнолегированный короткий линейный резонатор в сочетании с узкополосным ВБР-фильтром для получения выходного сигнала лазера с одной продольной модой и шириной линии менее 2 кГц. В 2014 году команда использовала короткий линейный резонатор (виртуальный складчатый кольцевой резонатор) в сочетании с фильтром FBG-FP, чтобы получить выходной сигнал лазера с более узкой шириной линии, как показано на рисунке 3. В 2012 году Cai et al. использовал структуру с коротким резонатором размером 1,4 см для получения выходного поляризационного лазера с выходной мощностью более 114 мВт, центральной длиной волны 1540,3 нм и шириной линии 4,1 кГц. В 2013 году Мэн и др. использовали рассеяние Бриллюэна легированного эрбием волокна с коротким кольцевым резонатором устройства сохранения полного смещения для получения однопродольной моды лазерного излучения с низким фазовым шумом и выходной мощностью 10 мВт. В 2015 году команда использовала кольцевой резонатор, состоящий из 45-сантиметрового волокна, легированного эрбием, в качестве усиливающей среды рассеяния Бриллюэна, чтобы получить лазерный выход с низким порогом и узкой шириной линии.
Рис. 2 (а) Схематическое изображение волоконного СЖК-лазера;
(б) Форма линии гетеродинного сигнала, измеренная с задержкой волокна 97,6 км.
Время публикации: 20 ноября 2023 г.