Tehnologija laserskega izvora zaoptična vlaknazaznavanje prvega dela
Tehnologija zaznavanja optičnih vlaken je neke vrste tehnologija zaznavanja, razvita skupaj s tehnologijo optičnih vlaken in komunikacijsko tehnologijo optičnih vlaken, in je postala ena najbolj aktivnih vej fotoelektrične tehnologije.Sistem za zaznavanje optičnih vlaken je v glavnem sestavljen iz laserja, prenosnih vlaken, senzorskega elementa ali območja modulacije, zaznavanja svetlobe in drugih delov.Parametri, ki opisujejo značilnosti svetlobnega valovanja, vključujejo intenziteto, valovno dolžino, fazo, stanje polarizacije itd. Ti parametri se lahko spremenijo zaradi zunanjih vplivov pri prenosu po optičnih vlaknih.Na primer, ko temperatura, deformacija, tlak, tok, premik, vibracije, vrtenje, upogibanje in kemična količina vplivajo na optično pot, se ti parametri ustrezno spremenijo.Zaznavanje optičnih vlaken temelji na razmerju med temi parametri in zunanjimi dejavniki za zaznavanje ustreznih fizičnih količin.
Obstaja veliko vrstlaserski viruporablja se v sistemih zaznavanja optičnih vlaken, ki jih lahko razdelimo v dve kategoriji: koherentnilaserski viriin nekoherentni viri svetlobe, nekoherentniviri svetlobevečinoma vključujejo žarnice z žarilno nitko in svetleče diode, koherentni viri svetlobe pa vključujejo trdne laserje, tekoče laserje, plinske laserje,polprevodniški laserinfiber laser.Naslednje je predvsem zavir laserske svetlobeki se v zadnjih letih pogosto uporablja na področju zaznavanja vlaken: enofrekvenčni laser z ozko črto, laser z eno valovno dolžino in beli laser.
1.1 Zahteve za ozko širino črtelaserski viri svetlobe
Sistema za zaznavanje optičnih vlaken ni mogoče ločiti od laserskega vira, saj izmerjeni svetlobni val nosilca signala, sam vir laserske svetlobe deluje, kot so stabilnost moči, širina črte laserja, fazni šum in drugi parametri na razdalji zaznavanja sistema za zaznavanje optičnih vlaken, zaznavanju Natančnost, občutljivost in lastnosti hrupa igrajo odločilno vlogo.V zadnjih letih so z razvojem sistemov za zaznavanje optičnih vlaken z ultra visoko ločljivostjo na dolge razdalje akademski krogi in industrija postavili strožje zahteve glede zmogljivosti širine črte laserske miniaturizacije, predvsem v: tehnologija refleksije v optični frekvenčni domeni (OFDR) uporablja koherentno tehnologija zaznavanja za analizo backrayleigh razpršenih signalov optičnih vlaken v frekvenčni domeni s široko pokritostjo (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 nastavitve frekvence, zato učinkovitost laserskega vira določa ključne dejavnike, kot so obseg zaznavanja OFDR, občutljivost in ločljivost.Ko je razdalja odbojne točke blizu koherenčne dolžine, bo intenziteta signala utripa eksponentno oslabljena s koeficientom τ/τc.Pri Gaussovem svetlobnem viru s spektralno obliko je razmerje med širino črte svetlobnega vira in največjo dolžino zaznavanja, ki ga sistem lahko doseže, Lmax ~ 0,04vg, da bi zagotovili več kot 90-odstotno vidljivost frekvence utripov /f, kar pomeni, da je za vlakno dolžine 80 km širina črte svetlobnega vira manjša od 100 Hz.Poleg tega je razvoj drugih aplikacij postavil višje zahteve glede širine črte svetlobnega vira.Na primer, v hidrofonskem sistemu z optičnimi vlakni širina črte svetlobnega vira določa sistemski šum in tudi minimalni merljivi signal sistema.Pri Brillouinovem optičnem reflektorju v časovni domeni (BOTDR) je merilna ločljivost temperature in napetosti v glavnem določena s širino črte vira svetlobe.V resonatorskem žiroskopu z optičnimi vlakni se lahko koherenčna dolžina svetlobnega vala poveča z zmanjšanjem širine črte svetlobnega vira, s čimer se izboljša finost in globina resonančne resonatorja, zmanjša širina črte resonatorja in zagotovi merjenje natančnost žiroskopa z optičnimi vlakni.
1.2 Zahteve za vire sweep laserja
Laser za premikanje z eno valovno dolžino ima prilagodljivo zmogljivost prilagajanja valovne dolžine, lahko nadomesti več izhodnih laserjev s fiksno valovno dolžino, zmanjša stroške konstrukcije sistema in je nepogrešljiv del sistema za zaznavanje optičnih vlaken.Na primer, pri zaznavanju vlaken v sledovih imajo različne vrste plinov različne vrhove absorpcije plina.Da bi zagotovili učinkovitost absorpcije svetlobe, ko je merilni plin zadosten, in dosegli višjo občutljivost meritev, je treba valovno dolžino prepustnega svetlobnega vira uskladiti z absorpcijskim vrhom molekule plina.Vrsto plina, ki ga je mogoče zaznati, v bistvu določa valovna dolžina svetlobnega vira zaznavanja.Zato imajo laserji z ozko širino črte s stabilno zmogljivostjo širokopasovnega uglaševanja večjo merilno prilagodljivost v takšnih sistemih zaznavanja.Na primer, v nekaterih porazdeljenih sistemih za zaznavanje optičnih vlaken, ki temeljijo na odboju v optični frekvenčni domeni, je treba laser hitro in občasno premikati, da dosežemo visoko natančno koherentno zaznavanje in demodulacijo optičnih signalov, zato ima hitrost modulacije laserskega vira relativno visoke zahteve. , hitrost pometanja nastavljivega laserja pa mora običajno doseči 10 pm/μs.Poleg tega se lahko laser z ozko širino črte, ki je nastavljiv po valovni dolžini, široko uporablja tudi v liDAR, laserskem daljinskem zaznavanju in spektralni analizi visoke ločljivosti ter na drugih področjih zaznavanja.Da bi izpolnili zahteve visoko zmogljivih parametrov nastavitve pasovne širine, natančnosti nastavitve in hitrosti nastavitve laserjev z eno valovno dolžino na področju zaznavanja vlaken, je splošni cilj proučevanja nastavljivih laserjev z vlakni ozke širine v zadnjih letih doseči visoko natančno uglaševanje v širšem območju valovnih dolžin na podlagi zasledovanja ultra ozke laserske širine črte, ultra nizkega faznega šuma ter ultra stabilne izhodne frekvence in moči.
1.3 Povpraševanje po viru bele laserske svetlobe
Na področju optičnega zaznavanja je visokokakovosten laser z belo svetlobo velikega pomena za izboljšanje delovanja sistema.Čim širša je pokritost spektra laserja z belo svetlobo, tem obsežnejša je njegova uporaba v sistemu zaznavanja optičnih vlaken.Na primer, pri uporabi vlaknene Braggove mreže (FBG) za izgradnjo senzorskega omrežja bi lahko za demodulacijo uporabili spektralno analizo ali metodo ujemanja nastavljivega filtra.Prvi je uporabil spektrometer za neposredno testiranje vsake resonančne valovne dolžine FBG v omrežju.Slednji uporablja referenčni filter za sledenje in umerjanje FBG pri zaznavanju, pri čemer oba zahtevata širokopasovni vir svetlobe kot testni vir svetlobe za FBG.Ker bo vsako dostopovno omrežje FBG imelo določeno vstavljeno izgubo in ima pasovno širino večjo od 0,1 nm, je za sočasno demodulacijo več FBG potreben širokopasovni svetlobni vir z veliko močjo in visoko pasovno širino.Na primer, ko za zaznavanje uporabljate mrežo vlaken z dolgo periodo (LPFG), ker je pasovna širina posameznega vrha izgube reda velikosti 10 nm, je potreben svetlobni vir širokega spektra z zadostno pasovno širino in relativno ravnim spektrom za natančno karakterizacijo njegove resonance vrhunske značilnosti.Zlasti rešetka iz akustičnih vlaken (AIFG), izdelana z uporabo akustično-optičnega učinka, lahko z električnim uglaševanjem doseže uglasitveno območje resonančne valovne dolžine do 1000 nm.Zato predstavlja preskušanje dinamične rešetke s tako ultra širokim razponom uravnavanja velik izziv za razpon pasovne širine svetlobnega vira širokega spektra.Podobno se v zadnjih letih na področju zaznavanja vlaken pogosto uporablja tudi nagnjena mreža Braggovih vlaken.Zaradi značilnosti izgubnega spektra z več vrhovi lahko območje porazdelitve valovnih dolžin običajno doseže 40 nm.Njegov mehanizem zaznavanja običajno primerja relativno gibanje med več vrhovi prenosa, zato je treba v celoti izmeriti njegov spekter prenosa.Pasovna širina in moč svetlobnega vira širokega spektra morata biti višji.
2. Raziskovalni status doma in v tujini
2.1 Laserski svetlobni vir z ozko črto
2.1.1 Polprevodniški ozkolinijski laser s porazdeljeno povratno zvezo
Leta 2006 so Cliche et al.zmanjšal MHz lestvico polprevodnikaDFB laser(laser s porazdeljeno povratno zvezo) v lestvici kHz z uporabo metode električne povratne zveze;Leta 2011 so Kessler et al.uporabljena nizkotemperaturna in visoko stabilna enokristalna votlina v kombinaciji z aktivnim povratnim nadzorom za pridobitev laserskega izhoda ultra ozke črte 40 MHz;Leta 2013 so Peng et al pridobili izhod polprevodniškega laserja s širino črte 15 kHz z uporabo metode zunanje prilagoditve Fabry-Perot (FP) povratne informacije.Metoda električne povratne informacije je v glavnem uporabljala povratno informacijo stabilizacije frekvence Pond-Drever-Hall, da bi zmanjšala lasersko širino črte svetlobnega vira.Leta 2010 so Bernhardi et al.izdelal 1 cm z erbijem dopiranega aluminijevega oksida FBG na substratu iz silicijevega oksida, da bi dobil laserski izhod s širino črte približno 1,7 kHz.Istega leta sta Liang et al.je uporabil povratno informacijo o samoinjekciji povratnega Rayleighovega sipanja, ki ga tvori stenski resonator odmeva z visokim Q za kompresijo širine črte polprevodniškega laserja, kot je prikazano na sliki 1, in končno dobil laserski izhod ozke širine črte 160 Hz.
Slika 1 (a) Diagram kompresije širine črte polprevodniškega laserja na podlagi Rayleighovega sipanja s samoinjekcijo zunanjega resonatorja načina šepetajoče galerije;
(b) Frekvenčni spekter prosto delujočega polprevodniškega laserja s širino črte 8 MHz;
( c ) Frekvenčni spekter laserja s širino črte, stisnjeno na 160 Hz
2.1.2 Optični laser z ozko črto
Pri laserjih z vlakni z linearno votlino se izhod laserja z ozko širino črte enega vzdolžnega načina doseže s skrajšanjem dolžine resonatorja in povečanjem intervala vzdolžnega načina.Leta 2004 sta Spiegelberg et al.z uporabo metode kratke votline DBR pridobil laserski izhod ozke širine črte z enim vzdolžnim načinom s širino črte 2 kHz.Leta 2007 sta Shen et al.uporabil 2 cm močno silicijevo vlakno, dopirano z erbijem, za pisanje FBG na fotoobčutljivo vlakno, dopirano z Bi-Ge, in ga spojil z aktivnim vlaknom, da je oblikoval kompaktno linearno votlino, zaradi česar je širina njegove laserske izhodne črte manjša od 1 kHz.Leta 2010 sta Yang et al.je uporabil 2 cm visoko dopirano kratko linearno votlino v kombinaciji z ozkopasovnim filtrom FBG, da bi pridobil laserski izhod z enim vzdolžnim načinom s širino črte manj kot 2 kHz.Leta 2014 je skupina uporabila kratko linearno votlino (virtualni zložen obročasti resonator) v kombinaciji s filtrom FBG-FP, da bi pridobila laserski izhod z ožjo širino črte, kot je prikazano na sliki 3. Leta 2012 sta Cai et al.je uporabil 1,4 cm kratko strukturo votline, da bi pridobil polarizacijski laserski izhod z izhodno močjo večjo od 114 mW, osrednjo valovno dolžino 1540,3 nm in širino črte 4,1 kHz.Leta 2013 sta Meng et al.uporabil Brillouinovo sipanje vlaken, dopiranih z erbijem, s kratko obročasto votlino naprave za ohranjanje polne prednapetosti, da bi pridobil laserski izhod z nizkofaznim šumom v enem vzdolžnem načinu z izhodno močjo 10 mW.Leta 2015 je ekipa uporabila obročasto votlino, sestavljeno iz 45 cm vlaken, dopiranih z erbijem, kot medij za pridobitev Brillouinovega sipanja, da bi dosegli laserski izhod z nizkim pragom in ozko širino črte.
Slika 2 (a) Shematski prikaz laserja SLC z vlakni;
( b ) Oblika črte heterodinskega signala, izmerjenega z zakasnitvijo vlaken 97,6 km
Čas objave: 20. nov. 2023