Технология лазерного источника дляоптическое волокноощущение. Часть первая.
Технология оптического волоконного зондирования — это вид сенсорных технологий, развивавшийся параллельно с технологией оптического волокна и технологией оптической волоконной связи, и она стала одной из наиболее активно развивающихся отраслей фотоэлектрической техники. Система оптического волоконного зондирования 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 изменяться под воздействием внешних факторов при передаче по оптическому волокну. Например, когда температура, деформация, давление, ток, смещение, вибрация, вращение, изгиб и химические вещества влияют на оптический путь, эти параметры изменяются соответствующим образом. Оптическое волоконное зондирование основано на взаимосвязи между этими параметрами и внешними факторами для обнаружения соответствующих физических величин.
Существует много типов.лазерный источникИспользуется в системах оптического волоконного зондирования, которые можно разделить на две категории: когерентные.лазерные источникии некогерентные источники света, некогерентныеисточники светаВ основном к ним относятся лампы накаливания и светодиоды, а к когерентным источникам света относятся твердотельные лазеры, жидкостные лазеры и газовые лазеры.полупроводниковый лазериволоконный лазерСледующая информация предназначена в основном длялазерный источник светаВ последние годы в области волоконно-оптических датчиков широко используются: узкополосные одночастотные лазеры, одноволновые лазеры с изменяющейся частотой и белые лазеры.
1.1 Требования к узкой ширине линиилазерные источники света
Система оптического волоконного зондирования неотделима от лазерного источника, поскольку измеряемая несущая световая волна, характеристики самого лазерного источника света, такие как стабильность мощности, ширина линии лазера, фазовый шум и другие параметры, играют решающую роль в дальности обнаружения, точности обнаружения, чувствительности и шумовых характеристиках системы оптического волоконного зондирования. В последние годы, с развитием систем оптического волоконного зондирования сверхвысокого разрешения на больших расстояниях, академические круги и промышленность выдвинули более жесткие требования к ширине линии лазерного излучения при миниатюризации, главным образом в: технологии оптического частотного отражения (OFDR), использующей технологию когерентного детектирования для анализа сигналов обратного рассеяния оптических волокон в частотной области с широким охватом (тысячи метров). Преимущества высокого разрешения (разрешение на уровне миллиметров) и высокой чувствительности (до -100 дБм) сделали эту технологию одной из наиболее перспективных в распределенной технологии измерения и зондирования оптических волокон. В основе технологии OFDR лежит использование перестраиваемого источника света для достижения оптической перестройки частоты, поэтому характеристики лазерного источника определяют ключевые факторы, такие как дальность обнаружения OFDR, чувствительность и разрешение. Когда расстояние до точки отражения близко к длине когерентности, интенсивность биений будет экспоненциально ослабляться с коэффициентом τ/τc. Для гауссова источника света со спектральной формой, чтобы обеспечить видимость частоты биений более чем на 90%, соотношение между шириной линии источника света и максимальной длиной обнаружения, которую может обеспечить 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 предъявляет более высокие требования к ширине линии источника света. Например, в системе оптического волоконного гидрофона ширина линии источника света определяет уровень шума системы, а также определяет минимальный измеряемый сигнал системы. В оптическом рефлектометре Бриллюэна с временным разрешением (BOTDR) разрешение измерения температуры и напряжения в основном определяется шириной линии источника света. В волоконно-оптическом гироскопе с резонатором длина когерентности световой волны может быть увеличена за счет уменьшения ширины линии источника света, что улучшает точность и глубину резонанса резонатора, уменьшает ширину линии резонатора и обеспечивает точность измерения волоконно-оптического гироскопа.
1.2 Требования к источникам лазерного излучения с разверткой частоты
Одноволновой лазер с изменяемой длиной волны обладает гибкими возможностями настройки длины волны, может заменить многоканальные лазеры с фиксированной длиной волны, снижает стоимость построения системы и является незаменимой частью волоконно-оптической сенсорной системы. Например, при волоконно-оптическом анализе следовых количеств газов разные газы имеют разные пики поглощения. Для обеспечения эффективности поглощения света при достаточном количестве измеряемого газа и достижения более высокой чувствительности измерения необходимо выравнивать длину волны источника пропускания света с пиком поглощения молекулы газа. Тип газа, который может быть обнаружен, в основном определяется длиной волны источника света. Поэтому узкополосные лазеры со стабильной широкополосной настройкой обладают большей гибкостью измерения в таких сенсорных системах. Например, в некоторых распределенных волоконно-оптических сенсорных системах, основанных на отражении в оптической частотной области, лазер необходимо быстро периодически перестраивать для достижения высокоточной когерентной регистрации и демодуляции оптических сигналов, поэтому к скорости модуляции лазерного источника предъявляются относительно высокие требования, и скорость перестройки регулируемого лазера обычно должна достигать 10 пм/мкс. Кроме того, лазеры с узкой шириной линии излучения и возможностью перестройки длины волны могут широко использоваться в лидарах, лазерном дистанционном зондировании, высокоразрешающем спектральном анализе и других областях сенсорики. Для удовлетворения требований к высоким параметрам полосы пропускания, точности и скорости перестройки одноволновых лазеров в области волоконно-оптического зондирования, общая цель исследования перестраиваемых волоконно-оптических лазеров с узкой шириной линии излучения в последние годы заключается в достижении высокоточной перестройки в более широком диапазоне длин волн на основе стремления к сверхузкой ширине линии излучения, сверхнизкому фазовому шуму и сверхстабильной выходной частоте и мощности.
1.3 Спрос на источники белого лазерного света
В области оптического зондирования высококачественный белый лазер имеет большое значение для повышения производительности системы. Чем шире спектральный охват белого лазера, тем шире его применение в волоконно-оптических системах зондирования. Например, при использовании волоконно-оптических брэгговских решеток (ВОР) для построения сенсорной сети для демодуляции можно использовать спектральный анализ или метод согласования настраиваемых фильтров. В первом случае используется спектрометр для непосредственного тестирования каждой резонансной длины волны ВОР в сети. Во втором случае используется эталонный фильтр для отслеживания и калибровки ВОР в системе зондирования, и оба метода требуют широкополосного источника света в качестве тестового источника света для ВОР. Поскольку каждая сеть доступа ВОР имеет определенные вносимые потери и полосу пропускания более 0,1 нм, одновременная демодуляция нескольких ВОР требует широкополосного источника света с высокой мощностью и высокой полосой пропускания. Например, при использовании длиннопериодной волоконной решетки (LPFG) для сенсорики, поскольку ширина полосы пропускания одного пика потерь составляет порядка 10 нм, для точной характеристики резонансных пиков требуется источник света широкого спектра с достаточной шириной полосы пропускания и относительно плоским спектром. В частности, акустическая волоконная решетка (AIFG), созданная с использованием акустооптического эффекта, может обеспечить диапазон настройки резонансной длины волны до 1000 нм посредством электрической настройки. Поэтому динамическое тестирование решетки с таким сверхшироким диапазоном настройки представляет собой серьезную проблему для диапазона полосы пропускания широкоспектрального источника света. Аналогично, в последние годы наклонная волоконная решетка Брэгга также широко используется в области волоконной сенсорики. Благодаря своим многопиковым характеристикам спектра потерь, диапазон распределения длин волн обычно может достигать 40 нм. Ее механизм детектирования обычно заключается в сравнении относительного движения между несколькими пиками пропускания, поэтому необходимо полностью измерить ее спектр пропускания. Ширина полосы пропускания и мощность широкоспектрального источника света должны быть выше.
2. Состояние научных исследований в стране и за рубежом.
2.1 Лазерный источник света с узкой шириной линии излучения
2.1.1 Полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью и узкой шириной линии излучения
В 2006 году Клише и др. уменьшили масштаб полупроводниковых устройств до МГц.DFB-лазер(лазер с распределенной обратной связью) в диапазоне 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 лазерного излучения со сверхмалой шириной линии 40 МГц; В 2013 году Пэн и др. получили полупроводниковый лазерный луч с шириной линии 15 кГц, используя метод внешней обратной связи Фабри-Перо (FP). Метод электрической обратной связи в основном использовал частотную стабилизацию Понда-Древера-Холла для уменьшения ширины линии лазерного излучения источника света. В 2010 году Бернхарди и др. изготовили 1 см легированной эрбием алюминиевой волоконно-оптической решетки (FBG) на подложке из оксида кремния для получения лазерного луча с шириной линии около 1,7 кГц. В том же году Лян и др. Как показано на рисунке 1, для сжатия ширины линии полупроводникового лазера использовалась обратная связь самоинжекции обратного рэлеевского рассеяния, формируемого высокодобротным эхо-резонатором, и в итоге был получен лазерный луч с узкой шириной линии 160 Гц.
Рис. 1 (а) Схема сжатия ширины линии полупроводникового лазера на основе самоинжектирующего рэлеевского рассеяния внешнего резонатора с режимом шепчущей галереи;
(b) Частотный спектр свободно работающего полупроводникового лазера с шириной линии 8 МГц;
(c) Частотный спектр лазера с шириной линии, сжатой до 160 Гц.
2.1.2 Волоконный лазер с узкой шириной линии излучения
Для волоконных лазеров с линейным резонатором узкополосное лазерное излучение в одномодовом режиме достигается за счет укорочения длины резонатора и увеличения интервала между продольными модами. В 2004 году Шпигельберг и др. получили узкополосное лазерное излучение в одномодовом режиме с шириной линии 2 кГц, используя метод короткого резонатора с диэлектрическим брэгговским отражателем (DBR). В 2007 году Шен и др. использовали 2-сантиметровое сильно легированное эрбием кремниевое волокно для записи волоконной брэгговской решетки (FBG) на фоточувствительном волокне, легированном висмутом и германием, и сплавили его с активным волокном для образования компактного линейного резонатора, получив ширину линии лазерного излучения менее 1 кГц. В 2010 году Ян и др. использовали 2-сантиметровый сильно легированный короткий линейный резонатор в сочетании с узкополосным фильтром FBG для получения лазерного излучения в одномодовом режиме с шириной линии менее 2 кГц. В 2014 году группа исследователей 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 Цай и др. использовали короткую резонаторную структуру длиной 1,4 см для получения поляризованного 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 бриллюэновское рассеяние в эрбиевом волокне с коротким кольцевым резонатором устройства, сохраняющего полное смещение, для получения одномодового лазерного излучения с низким фазовым шумом и выходной мощностью 10 мВт. В 2015 году группа исследователей использовала кольцевой резонатор, состоящий из эрбиевого волокна длиной 45 см, в качестве среды усиления бриллюэновского рассеяния для получения лазерного излучения с низким порогом и узкой шириной линии.
Рис. 2 (а) Схема волоконного лазера SLC;
(b) Форма линии гетеродинного сигнала, измеренная с задержкой по оптоволокну 97,6 км.
Дата публикации: 20 ноября 2023 г.