Tehnologija laserskega vira zaoptično vlaknozaznavanje Prvi del
Tehnologija zaznavanja z optičnimi vlakni je vrsta tehnologije zaznavanja, razvite skupaj s tehnologijo optičnih vlaken in tehnologijo komunikacije z optičnimi vlakni, in je postala ena najbolj aktivnih vej fotoelektrične tehnologije. Sistem zaznavanja z optičnimi vlakni je sestavljen predvsem iz laserja, prenosnega vlakna, zaznavalnega elementa ali modulacijskega območja, zaznavanja svetlobe in drugih delov. Parametri, ki opisujejo značilnosti svetlobnega vala, vključujejo intenzivnost, valovno dolžino, fazo, stanje polarizacije itd. Te parametre lahko spremenijo zunanji vplivi pri prenosu z optičnimi vlakni. Na primer, ko temperatura, deformacija, tlak, tok, premik, vibracije, vrtenje, upogibanje in kemične količine vplivajo na optično pot, se ti parametri ustrezno spremenijo. Zaznavanje z optičnimi vlakni temelji na razmerju med temi parametri in zunanjimi dejavniki za zaznavanje ustreznih fizikalnih količin.
Obstaja veliko vrstlaserski viruporabljajo se v optičnih vlakenskih senzorskih sistemih, ki jih lahko razdelimo v dve kategoriji: koherentnelaserski viriin nekoherentni svetlobni viri, nekoherentnisvetlobni viriV glavnem vključujejo žarnice z žarilno nitko in svetleče diode, koherentni viri svetlobe pa vključujejo trdne laserje, tekoče laserje, plinske laserje,polprevodniški laserinvlakenski laserNaslednje je namenjeno predvsemlaserski vir svetlobeV zadnjih letih se na področju zaznavanja vlaken pogosto uporabljajo: enofrekvenčni laser z ozko širino črte, laser z eno valovno dolžino in beli laser.
1.1 Zahteve za ozko širino črtelaserski svetlobni viri
Sistema za zaznavanje optičnih vlaken ni mogoče ločiti od laserskega vira, saj izmerjeni svetlobni val nosilca signala, sam laserski svetlobni vir, kot so stabilnost moči, širina laserske črte, fazni šum in drugi parametri, ki vplivajo na razdaljo zaznavanja, natančnost zaznavanja, občutljivost in šumne značilnosti sistema za zaznavanje optičnih vlaken, igrajo odločilno vlogo. V zadnjih letih sta z razvojem sistemov za zaznavanje optičnih vlaken z ultra visoko ločljivostjo na dolge razdalje akademski svet in industrija postavila strožje zahteve glede zmogljivosti širine črte pri miniaturizaciji laserjev, predvsem v: tehnologiji optičnega odboja v frekvenčni domeni (OFDR) se uporablja koherentna tehnologija zaznavanja za analizo Rayleighovih razpršenih signalov optičnih vlaken v frekvenčni domeni s širokim pokritjem (na tisoče metrov). Prednosti visoke ločljivosti (milimetrska ločljivost) in visoke občutljivosti (do -100 dBm) so postale ena od tehnologij s širokimi možnostmi uporabe v porazdeljeni tehnologiji merjenja in zaznavanja optičnih vlaken. Jedro tehnologije OFDR je uporaba nastavljivega svetlobnega vira za doseganje optične frekvenčne nastavitve, zato delovanje laserskega vira določa ključne dejavnike, kot so doseg zaznavanja, občutljivost in ločljivost OFDR. Ko je razdalja odbojne točke blizu koherenčne dolžine, se intenzivnost signala utripanja eksponentno zmanjša za koeficient τ/τc. Pri Gaussovem svetlobnem viru s spektralno obliko je za zagotovitev, da ima frekvenca utripanja več kot 90-odstotno vidljivost, razmerje med širino črte svetlobnega vira in največjo zaznavno dolžino, ki jo sistem lahko doseže, Lmax~0,04vg/f, kar pomeni, da je za vlakno dolžine 80 km širina črte svetlobnega vira manjša od 100 Hz. Poleg tega razvoj drugih aplikacij postavlja tudi višje zahteve glede širine črte svetlobnega vira. Na primer, v sistemu optičnih vlaken s hidrofonom širina črte svetlobnega vira določa sistemski šum in tudi minimalni merljivi signal sistema. V Brillouinovem optičnem reflektorju v časovni domeni (BOTDR) je merilna ločljivost temperature in napetosti v glavnem določena s širino črte svetlobnega vira. V resonatorskem optičnem žiroskopu se lahko koherenčna dolžina svetlobnega vala poveča z zmanjšanjem širine črte svetlobnega vira, s čimer se izboljšata finost in globina resonance resonatorja, zmanjša širina črte resonatorja in zagotovi natančnost merjenja optičnega žiroskopa.
1.2 Zahteve za laserske vire s premičnim žarkom
Enosmerni laserski sistem ima prilagodljivo nastavitev valovne dolžine, lahko nadomesti laserje z več izhodi in fiksno valovno dolžino, kar zmanjša stroške gradnje sistema in je nepogrešljiv del sistema zaznavanja optičnih vlaken. Na primer, pri zaznavanju sledilnih plinov imajo različne vrste plinov različne vrhove absorpcije plina. Da bi zagotovili učinkovitost absorpcije svetlobe, ko je merilnega plina dovolj, in dosegli večjo občutljivost merjenja, je treba valovno dolžino prepustnega svetlobnega vira uskladiti z vrhom absorpcije molekule plina. Vrsta plina, ki ga je mogoče zaznati, je v bistvu določena z valovno dolžino zaznavalnega svetlobnega vira. Zato imajo laserji z ozko širino črte in stabilno širokopasovno nastavitev večjo prilagodljivost merjenja v takšnih sistemih zaznavanja. Na primer, v nekaterih porazdeljenih sistemih zaznavanja optičnih vlaken, ki temeljijo na odboju optične frekvenčne domene, je treba laser periodično hitro premikati, da se doseže visoko natančno koherentno zaznavanje in demodulacija optičnih signalov, zato so zahteve glede modulacijske hitrosti laserskega vira relativno visoke, hitrost premikanja nastavljivega laserja pa mora običajno doseči 10 pm/μs. Poleg tega se lahko laser z ozko širino linije z nastavljivo valovno dolžino široko uporablja tudi v liDAR-ju, laserskem daljinskem zaznavanju in spektralni analizi visoke ločljivosti ter drugih področjih zaznavanja. Da bi izpolnili zahteve glede visokozmogljivih parametrov nastavitve pasovne širine, natančnosti nastavitve in hitrosti nastavitve laserjev z eno valovno dolžino na področju zaznavanja vlaken, je bil splošni cilj preučevanja nastavljivih laserjev z ozko širino vlaken v zadnjih letih doseči visoko natančno uglaševanje v širšem območju valovnih dolžin na podlagi prizadevanj za ultra ozko širino laserske linije, ultra nizek fazni šum ter ultra stabilno izhodno frekvenco in moč.
1.3 Povpraševanje po viru bele laserske svetlobe
Na področju optičnega zaznavanja je visokokakovosten laser z belo svetlobo zelo pomemben za izboljšanje delovanja sistema. Širša kot je pokritost spektra laserja z belo svetlobo, obsežnejša je njegova uporaba v optičnih vlakenskih senzorskih sistemih. Na primer, pri uporabi Braggove mreže z vlakni (FBG) za izgradnjo senzorskega omrežja se lahko za demodulacijo uporabi spektralna analiza ali metoda prilagajanja nastavljivih filtrov. Prva uporablja spektrometer za neposredno testiranje vsake resonančne valovne dolžine FBG v omrežju. Druga uporablja referenčni filter za sledenje in kalibracijo FBG pri zaznavanju, pri čemer oboje zahteva širokopasovni svetlobni vir kot testni svetlobni vir za FBG. Ker ima vsako dostopovno omrežje FBG določeno vstavitveno izgubo in ima pasovno širino več kot 0,1 nm, hkratna demodulacija več FBG zahteva širokopasovni svetlobni vir z veliko močjo in visoko pasovno širino. Na primer, pri uporabi dolgoperiodične vlaknene mreže (LPFG) za zaznavanje, ker je pasovna širina enega samega vrha izgube reda velikosti 10 nm, je za natančno opredelitev njegovih resonančnih vrhov potreben širokospektralni svetlobni vir z zadostno pasovno širino in relativno ravnim spektrom. Predvsem akustična vlaknena rešetka (AIFG), izdelana z uporabo akustooptičnega učinka, lahko s pomočjo električnega uglaševanja doseže območje uglaševanja resonančne valovne dolžine do 1000 nm. Zato dinamično testiranje rešetk s tako ultra širokim območjem uglaševanja predstavlja velik izziv za območje pasovne širine svetlobnega vira širokega spektra. Podobno se je v zadnjih letih na področju zaznavanja vlaken pogosto uporabljala tudi nagnjena Braggova vlaknena rešetka. Zaradi svojih značilnosti spektra z več vrhovi izgub lahko območje porazdelitve valovnih dolžin običajno doseže 40 nm. Njen mehanizem zaznavanja je običajno primerjava relativnega gibanja med več vrhovi prenosa, zato je treba izmeriti njegov spekter prenosa v celoti. Pasovna širina in moč svetlobnega vira širokega spektra morata biti višji.
2. Status raziskav doma in v tujini
2.1 Vir laserske svetlobe z ozko širino črte
2.1.1 Polprevodniški laser z ozko širino črte in porazdeljeno povratno zanko
Leta 2006 so Cliche in sodelavci zmanjšali MHz lestvico polprevodnikovDFB laser(laser z porazdeljeno povratno zanko) na lestvico kHz z uporabo metode električne povratne zanke; Leta 2011 so Kessler in sodelavci uporabili nizkotemperaturno in visoko stabilno monokristalno votlino v kombinaciji z aktivnim krmiljenjem povratne zanke, da bi dosegli laserski izhod z ultra ozko širino črte 40 MHz; Leta 2013 so Peng in sodelavci dosegli polprevodniški laserski izhod s širino črte 15 kHz z uporabo metode zunanje prilagoditve povratne zanke Fabry-Perot (FP). Metoda električne povratne zanke je v glavnem uporabljala povratno zanko s stabilizacijo frekvence Pond-Drever-Halla, da bi zmanjšala širino laserske črte svetlobnega vira. Leta 2010 so Bernhardi in sodelavci izdelali 1 cm2 z erbijem dopiranega aluminijevega oksida FBG na substratu iz silicijevega oksida, da bi dosegli laserski izhod s širino črte približno 1,7 kHz. Istega leta so Liang in sodelavci... uporabil povratno zanko s samoinjektiranjem povratnega Rayleighovega sipanja, ki ga tvori visokofrekvenčni resonator odmevne stene za kompresijo širine polprevodniškega laserja, kot je prikazano na sliki 1, in končno dobil ozek laserski izhod širine linije 160 Hz.
Slika 1 (a) Diagram kompresije širine črt polprevodniškega laserja na podlagi samoinjektiranja Rayleighovega sipanja zunanjega resonatorja v modu šepetajoče galerije;
(b) Frekvenčni spekter prostega polprevodniškega laserja s širino črte 8 MHz;
(c) Frekvenčni spekter laserja s stisnjeno širino črte na 160 Hz
2.1.2 Vlaknasti laser z ozko širino linije
Pri linearnih vlakenskih laserjih z votlino se ozkoširinski laserski izhod enega vzdolžnega moda doseže s skrajšanjem dolžine resonatorja in povečanjem intervala vzdolžnega moda. Leta 2004 so Spiegelberg in sodelavci z metodo kratke votline DBR dosegli ozkoširinski laserski izhod enega vzdolžnega moda s širino črte 2 kHz. Leta 2007 so Shen in sodelavci uporabili 2 cm močno z erbijem dopirano silicijevo vlakno za zapisovanje FBG na fotoobčutljivo vlakno, so-dopirano z Bi-Ge, in ga združili z aktivnim vlaknom, da so tvorili kompaktno linearno votlino, s čimer je širina laserskega izhoda manjša od 1 kHz. Leta 2010 so Yang in sodelavci uporabili 2 cm močno dopirano kratko linearno votlino v kombinaciji z ozkopasovnim FBG filtrom, da so dobili laserski izhod enega vzdolžnega moda s širino črte manj kot 2 kHz. Leta 2014 je ekipa uporabila kratko linearno votlino (virtualni zložen obročasti resonator) v kombinaciji s filtrom FBG-FP, da bi dosegla laserski izhod z ožjo širino črte, kot je prikazano na sliki 3. Leta 2012 so Cai in sodelavci uporabili 1,4 cm dolgo strukturo kratke votline, da bi dosegli polarizacijski laserski izhod z izhodno močjo večjo od 114 mW, centralno valovno dolžino 1540,3 nm in širino črte 4,1 kHz. Leta 2013 so Meng in sodelavci uporabili Brillouinovo sipanje vlakna, dopiranega z erbijem, s kratko obročasto votlino naprave s polno prednapetostjo, da bi dosegli laserski izhod z nizkim vzdolžnim modom in nizkim faznim šumom z izhodno močjo 10 mW. Leta 2015 je ekipa uporabila obročasto votlino, sestavljeno iz 45 cm2 vlakna, dopiranega z erbijem, kot medij za ojačevanje Brillouinovega sipanja, da bi dosegla laserski izhod z nizkim pragom in ozko širino črte.
Slika 2 (a) Shematski prikaz vlakenskega laserja SLC;
(b) Oblika črte heterodinskega signala, izmerjena z zakasnitvijo vlakna 97,6 km
Čas objave: 20. november 2023