Технология лазерного источника дляоптическое волокнозондирование Часть первая
Технология оптоволоконного зондирования является разновидностью сенсорной технологии, разработанной вместе с оптоволоконной технологией и технологией оптоволоконной связи, и стала одной из наиболее активных ветвей фотоэлектрической технологии. Оптоволоконная сенсорная система в основном состоит из лазера, передающего волокна, чувствительного элемента или области модуляции, детектора света и других частей. Параметры, описывающие характеристики световой волны, включают в себя интенсивность, длину волны, фазу, состояние поляризации и т. д. Эти параметры могут быть изменены внешними воздействиями при передаче по оптоволокну. Например, когда температура, деформация, давление, ток, смещение, вибрация, вращение, изгиб и химическое количество влияют на оптический путь, эти параметры соответственно изменяются. Оптоволоконное зондирование основано на взаимосвязи между этими параметрами и внешними факторами для обнаружения соответствующих физических величин.
Существует много типовлазерный источникиспользуемые в оптоволоконных сенсорных системах, которые можно разделить на две категории: когерентныелазерные источникии некогерентные источники света, некогерентныеисточники светаВ основном это лампы накаливания и светодиоды, а также источники когерентного света, включающие твердотельные лазеры, жидкостные лазеры, газовые лазеры,полупроводниковый лазериволоконный лазер. Нижеследующее в основном предназначено длялазерный источник светаВ последние годы в области волоконно-оптических датчиков широко используются: узкополосный одночастотный лазер, одноволновый лазер с качающейся частотой и белый лазер.
1.1 Требования к узкой ширине линиилазерные источники света
Система оптического волокна не может быть отделена от источника лазерного излучения, поскольку измеряемая несущая световая волна сигнала, производительность самого источника лазерного излучения, такая как стабильность мощности, ширина линии лазера, фазовый шум и другие параметры, играют решающую роль в дальности обнаружения системы оптического волокна, точности обнаружения, чувствительности и шумовых характеристиках. В последние годы, с развитием оптоволоконных систем сверхвысокого разрешения на больших расстояниях, научные круги и промышленность выдвинули более строгие требования к характеристикам ширины линии миниатюризации лазера, в основном в: технологии оптического отражения в частотной области (OFDR) используют технологию когерентного детектирования для анализа сигналов обратного рассеяния релеевских волн оптических волокон 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 распределенной технологии измерения и измерения оптического волокна. Суть технологии OFDR заключается в использовании перестраиваемого источника света для достижения оптической настройки 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 ослаблена коэффициентом τ/τc. Для гауссова источника света со спектральной формой, чтобы гарантировать видимость частоты биений более 90%, соотношение между шириной линии источника света и максимальной длиной зондирования, 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 выдвигает более высокие требования к ширине линии источника света. Например, в оптоволоконной гидрофонной системе ширина линии источника света определяет системный шум, а также определяет минимальный измеряемый сигнал системы. В оптическом отражателе Бриллюэна (BOTDR) разрешение измерения температуры и напряжений определяется главным образом шириной линии источника света. В резонаторном волоконно-оптическом гироскопе длина когерентности световой волны может быть увеличена за счёт уменьшения ширины линии источника света, что повышает точность и глубину резонанса резонатора, уменьшая ширину линии резонатора и обеспечивая точность измерения волоконно-оптического гироскопа.
1.2 Требования к источникам лазерного излучения
Одноволновый лазер свипирования обладает гибкой настройкой длины волны, может заменить несколько выходных лазеров с фиксированной длиной волны, снижая стоимость системы и являясь неотъемлемой частью оптоволоконной сенсорной системы. Например, при волоконном измерении следов газа разные виды газов имеют разные пики поглощения. Для обеспечения эффективности поглощения света при достаточном количестве измеряемого газа и достижения более высокой чувствительности измерения необходимо согласовать длину волны источника пропускания с пиком поглощения молекулы газа. Тип газа, который может быть обнаружен, по сути, определяется длиной волны источника зондирующего света. Следовательно, узкополосные лазеры со стабильной широкополосной настройкой обладают большей гибкостью измерений в таких сенсорных системах. Например, в некоторых распределенных оптоволоконных сенсорных системах, основанных на отражении в оптической частотной области, лазер необходимо быстро периодически сканировать для достижения высокоточного когерентного детектирования и демодуляции оптических сигналов, поэтому к скорости модуляции лазерного источника предъявляются относительно высокие требования, а скорость сканирования регулируемого лазера обычно должна достигать 10 пм/мкс. Кроме того, перестраиваемый по длине волны узкополосный лазер также может широко использоваться в лидарах, лазерном дистанционном зондировании, спектральном анализе высокого разрешения и других областях зондирования. Для удовлетворения требований к высоким эксплуатационным параметрам полосы пропускания, точности и скорости настройки одноволновых лазеров в области волоконного зондирования, общей целью исследований перестраиваемых узкополосных волоконных лазеров в последние годы является достижение высокоточной настройки 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 белый лазер имеет большое значение для повышения производительности системы. Чем шире спектральное покрытие белого лазера, тем шире его применение в волоконно-оптической сенсорной системе. Например, при использовании волоконной брэгговской решетки (FBG) для построения сенсорной сети, для демодуляции можно использовать спектральный анализ или метод согласования перестраиваемого фильтра. Первый использует спектрометр для непосредственного тестирования каждой резонансной длины волны FBG в сети. Второй использует опорный фильтр для отслеживания и калибровки FBG при зондировании, оба из которых требуют широкополосного источника света в качестве тестового источника света для FBG. Поскольку каждая сеть доступа FBG будет иметь определенные вносимые потери и имеет полосу пропускания более 0,1 нм, одновременная демодуляция нескольких FBG требует широкополосного источника света с высокой мощностью и высокой полосой пропускания. Например, при использовании длиннопериодной волоконной решетки (LPFG) для измерения, поскольку ширина полосы пропускания одного пика потерь составляет порядка 10 нм, для точного определения характеристик её резонансного пика требуется источник света с широким спектром, достаточной полосой пропускания и относительно плоским спектром. В частности, акустическая волоконная решетка (AIFG), построенная на основе акустооптического эффекта, может достигать диапазона настройки резонансной длины волны до 1000 нм посредством электрической настройки. Следовательно, динамическое тестирование решеток с таким сверхшироким диапазоном настройки представляет собой серьёзную проблему для диапазона полосы пропускания широкоспектрального источника света. Аналогичным образом, в последние годы в области измерения волокон широко используется наклонная волоконная брэгговская решетка. Благодаря многопиковому спектру потерь, диапазон распределения длин волн обычно может достигать 40 нм. Механизм измерения обычно заключается в сравнении относительного перемещения между несколькими пиками пропускания, поэтому необходимо полностью измерить спектр пропускания. Требуются более высокая полоса пропускания и мощность широкоспектрального источника света.
2. Статус исследования в стране и за рубежом
2.1 Узколинейный лазерный источник света
2.1.1 Полупроводниковый лазер с узкой шириной линии и распределенной обратной связью
В 2006 году Клише и др. уменьшили шкалу МГц полупроводниковыхDFB-лазер(лазер с распределенной обратной связью) до шкалы кГц с использованием метода электрической обратной связи; В 2011 году Кесслер и др. использовали низкотемпературный и высокостабильный монокристаллический резонатор в сочетании с активным управлением обратной связью для получения выходного лазера со сверхузкой шириной линии 40 МГц; В 2013 году Пэн и др. получили выход полупроводникового лазера с шириной линии 15 кГц, используя метод внешней регулировки обратной связи Фабри-Перо (FP). Метод электрической обратной связи в основном использовал обратную связь стабилизации частоты Понда-Древера-Холла, чтобы уменьшить ширину линии лазера источника света. В 2010 году Бернхарди и др. изготовили 1 см ВБР из легированного эрбием оксида алюминия на подложке из оксида кремния для получения выходного лазера с шириной линии около 1,7 кГц. В том же году Лян и др. использовали самоинжекционную обратную связь обратного рэлеевского рассеяния, сформированную резонатором эхо-стены с высокой добротностью для сжатия ширины линии полупроводникового лазера, как показано на рисунке 1, и, наконец, получили выходную частоту лазера с узкой шириной линии 160 Гц.
Рис. 1 (а) Схема сжатия ширины линии полупроводникового лазера на основе самоинжекционного рэлеевского рассеяния внешнего резонатора мод шепчущей галереи;
(б) Частотный спектр свободного полупроводникового лазера с шириной линии 8 МГц;
(c) Частотный спектр лазера с шириной линии, сжатой до 160 Гц
2.1.2 Узкополосный волоконный лазер
Для волоконных лазеров с линейным резонатором узкая ширина линии лазерного излучения одной продольной моды достигается путем укорочения длины резонатора и увеличения интервала продольной моды. В 2004 году Шпигельберг и др. получили узкую ширину линии лазерного излучения одной продольной моды с шириной линии 2 кГц, используя метод короткого резонатора DBR. В 2007 году Шен и др. использовали 2-сантиметровое сильно легированное эрбием кремниевое волокно для записи ВБР на солегированном Bi-Ge фоточувствительном волокне и соединили его с активным волокном для формирования компактного линейного резонатора, сделав ширину линии выходного лазерного излучения менее 1 кГц. В 2010 году Янг и др. использовали 2-сантиметровый сильно легированный короткий линейный резонатор в сочетании с узкополосным фильтром ВБР для получения выходного лазерного излучения одной продольной моды с шириной линии менее 2 кГц. В 2014 году группа использовала короткий линейный резонатор (виртуальный сложенный кольцевой резонатор) в сочетании с фильтром FBG-FP для получения лазерного излучения с более узкой шириной линии, как показано на рисунке 3. В 2012 году Кай и др. использовали структуру короткого резонатора 1,4 см для получения поляризационного лазерного излучения 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 Мандельштама-Бриллюэна на легированном эрбием волокне с коротким кольцевым резонатором устройства сохранения полного смещения для получения однопродольной моды, низкофазового шума лазерного излучения с выходной мощностью 10 мВт. В 2015 году группа использовала кольцевой резонатор, состоящий из 45 см легированного эрбием волокна в качестве усиливающей среды рассеяния Мандельштама-Бриллюэна для получения низкого порога и узкой ширины линии лазерного излучения.
Рис. 2 (а) Схематическое изображение волоконного лазера SLC;
(б) Форма линии гетеродинного сигнала, измеренная с задержкой в волокне 97,6 км
Время публикации: 20 ноября 2023 г.