Технология лазерного источника дляоптическое волокнозондирование Часть первая
Технология оптоволоконного зондирования — это разновидность технологии зондирования, разработанная вместе с оптоволоконной технологией и оптоволоконной технологией связи, и она стала одной из самых активных отраслей фотоэлектрической технологии. Оптоволоконная сенсорная система в основном состоит из лазера, передающего волокна, чувствительного элемента или области модуляции, обнаружения 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 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 когерентные источники света включают твердотельные лазеры, жидкостные лазеры, газовые лазеры,полупроводниковый лазериволоконный лазер. Нижеследующее в основном длялазерный источник светаВ последние годы в области волоконного зондирования широко используются: узколинейный одночастотный лазер, одноволновый лазер с качающейся частотой и белый лазер.
1.1 Требования к узкой ширине линиилазерные источники света
Оптоволоконная сенсорная система не может быть отделена от лазерного источника, так как измеряемая несущая световая волна сигнала, производительность самого источника лазерного света, такая как стабильность мощности, ширина линии лазера, фазовый шум и другие параметры на дальности обнаружения оптоволоконной сенсорной системы, точность обнаружения, чувствительность и шумовые характеристики играют решающую роль. В последние годы, с развитием оптоволоконных сенсорных систем сверхвысокого разрешения на больших расстояниях, академические круги и промышленность выдвинули более строгие требования к производительности ширины линии миниатюризации лазера, в основном в: технология отражения в оптической частотной области (OFDR) использует технологию когерентного обнаружения для анализа сигналов обратного рассеяния оптоволокна 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 оптоволоконной измерительной и сенсорной технологии. Суть технологии OFDR заключается в использовании настраиваемого источника света для достижения оптической настройки частоты, поэтому производительность лазерного источника определяет ключевые факторы, такие как диапазон 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, что частота биений имеет видимость 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, разработка других приложений также выдвигает более высокие требования к ширине линии источника света. Например, в оптоволоконной гидрофонной системе ширина линии источника света определяет шум системы, а также определяет минимальный измеряемый сигнал системы. В оптическом отражателе Бриллюэна во временной области (BOTDR) разрешение измерения температуры и напряжения в основном определяется шириной линии источника света. В резонаторном волоконно-оптическом гироскопе длина когерентности световой волны может быть увеличена за счет уменьшения ширины линии источника света, тем самым улучшая тонкость и глубину резонанса резонатора, уменьшая ширину линии резонатора и обеспечивая точность измерения волоконно-оптического гироскопа.
1.2 Требования к источникам лазерного излучения
Одноволновой лазер свипирования имеет гибкую настройку длины волны, может заменить несколько выходных лазеров с фиксированной длиной волны, снижает стоимость конструкции системы, является неотъемлемой частью оптоволоконной сенсорной системы. Например, при зондировании волоконно-оптических следов газа разные виды газов имеют разные пики поглощения газа. Чтобы обеспечить эффективность поглощения света при достаточном количестве измерительного газа и достичь более высокой чувствительности измерения, необходимо выровнять длину волны источника пропускания света с пиком поглощения молекулы газа. Тип газа, который может быть обнаружен, по существу определяется длиной волны источника зондирующего света. Поэтому лазеры с узкой шириной линии со стабильной широкополосной настройкой обладают более высокой гибкостью измерения в таких сенсорных системах. Например, в некоторых распределенных оптоволоконных сенсорных системах, основанных на отражении в оптической частотной области, лазер необходимо быстро периодически качать для достижения высокоточного когерентного обнаружения и демодуляции оптических сигналов, поэтому скорость модуляции лазерного источника имеет относительно высокие требования, а скорость качания регулируемого лазера обычно должна достигать 10 пм/мкс. Кроме того, настраиваемый по длине волны узкополосный лазер также может широко использоваться в лидарах, лазерном дистанционном зондировании и спектральном анализе высокого разрешения и других областях зондирования. Для того чтобы соответствовать требованиям к высоким параметрам производительности полосы пропускания настройки, точности настройки и скорости настройки одноволновых лазеров в области волоконного зондирования, общей целью изучения настраиваемых узкополосных волоконных лазеров в последние годы является достижение высокоточной настройки в большем диапазоне длин волн на основе достижения сверхузкой ширины линии лазера, сверхнизкого фазового шума и сверхстабильной выходной частоты и мощности.
1.3 Спрос на белый лазерный источник света
В области оптического зондирования высококачественный белый лазер имеет большое значение для улучшения производительности системы. Чем шире спектральный охват белого лазера, тем шире его применение в оптоволоконной системе зондирования. Например, при использовании волоконной брэгговской решетки (FBG) для построения сенсорной сети для демодуляции можно использовать спектральный анализ или метод согласования настраиваемого фильтра. Первый использовал спектрометр для непосредственного тестирования каждой резонансной длины волны FBG в сети. Последний использовал эталонный 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 зондирования, поскольку ширина полосы пропускания одного пика потерь составляет порядка 10 нм, требуется источник света с широким спектром с достаточной шириной полосы пропускания и относительно плоским спектром для точной характеристики его резонансных пиковых характеристик. В частности, акустическая волоконная решетка (AIFG), сконструированная с использованием акустооптического эффекта, может достичь диапазона настройки резонансной длины волны до 1000 нм с помощью электрической настройки. Поэтому динамическое тестирование решетки с таким сверхшироким диапазоном настройки представляет собой большую проблему для диапазона полосы пропускания источника света с широким спектром. Аналогичным образом, в последние годы наклонная волоконная решетка Брэгга также широко используется в области волоконного зондирования. Благодаря своим характеристикам спектра потерь с несколькими пиками диапазон распределения длин волн обычно может достигать 40 нм. Его механизм зондирования обычно заключается в сравнении относительного движения между несколькими пиками пропускания, поэтому необходимо полностью измерить его спектр пропускания. Полоса пропускания и мощность источника света с широким спектром должны быть выше.
2. Статус исследований в стране и за рубежом
2.1 Узколинейный лазерный источник света
2.1.1 Узкополосный полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью
В 2006 году Клише и др. уменьшили шкалу МГц полупроводниковых приборов.DFB-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 сигнала 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 со стабилизацией частоты Понда-Древера-Холла, чтобы уменьшить ширину лазерной линии источника света. В 2010 году Бернхарди и др. изготовили 1 см легированной эрбием оксидной брэгговской решетки из алюминия на подложке из оксида кремния для получения выходного сигнала лазера с шириной линии около 1,7 кГц. В том же году Лян и др. использовали самоинжекционную обратную связь обратного рэлеевского рассеяния, сформированную высокодобротным резонатором эхо-стенки для сжатия ширины линии полупроводникового лазера, как показано на рисунке 1, и в конечном итоге получили выход 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 Узколинейный волоконный лазер
Для линейных волоконных лазеров с резонатором узкая ширина линии лазерного выхода одной продольной моды достигается путем сокращения длины резонатора и увеличения интервала продольной моды. В 2004 году Шпигельберг и др. получили узкую ширину линии лазерного выхода 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 лазерного выхода 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 одной продольной моды лазерного выхода 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 выхода 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 поляризованного лазерного выхода 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, сохраняющего полное смещение, для получения однопродольной моды, низкофазового шума лазерного выхода с выходной мощностью 10 мВт. В 2015 году группа использовала кольцевой резонатор, состоящий из 45 см легированного эрбием волокна, в качестве среды усиления рассеяния Бриллюэна для получения низкого порога и узкой ширины линии лазерного выхода.
Рис. 2 (а) Схематическое изображение волоконного лазера SLC;
(б) Форма линии гетеродинного сигнала, измеренная с задержкой волокна 97,6 км
Время публикации: 20 ноября 2023 г.