Teknolohiya ng mapagkukunan ng laser para saOptical fiberSensing Part One
Ang optical fiber sensing na teknolohiya ay isang uri ng teknolohiyang sensing na binuo kasama ang optical fiber na teknolohiya at optical na teknolohiya ng komunikasyon ng hibla, at ito ay naging isa sa mga pinaka -aktibong sanga ng teknolohiyang photoelectric. Ang optical fiber sensing system ay pangunahing binubuo ng laser, paghahatid ng hibla, sensing element o modulation area, light detection at iba pang mga bahagi. Ang mga parameter na naglalarawan ng mga katangian ng light wave ay may kasamang intensity, haba ng haba, phase, estado ng polariseysyon, atbp. Ang mga parameter na ito ay maaaring mabago ng mga panlabas na impluwensya sa paghahatid ng optical fiber. Halimbawa, kapag ang temperatura, pilay, presyon, kasalukuyang, pag -aalis, panginginig ng boses, pag -ikot, baluktot at dami ng kemikal ay nakakaapekto sa optical path, ang mga parameter na ito ay nagbabago nang magkatulad. Ang optical fiber sensing ay batay sa ugnayan sa pagitan ng mga parameter na ito at panlabas na mga kadahilanan upang makita ang kaukulang pisikal na dami.
Maraming uri ngmapagkukunan ng laserginamit sa mga optical fiber sensing system, na maaaring nahahati sa dalawang kategorya: magkakaugnayMga mapagkukunan ng laserat hindi nakakagulat na mga mapagkukunan ng ilaw, walang kabuluhanmagaan na mapagkukunanPangunahin na kasama ang maliwanag na ilaw at light-emitting diode, at magkakaugnay na mga mapagkukunan ng ilaw ay kasama ang mga solidong laser, likidong laser, gas laser,Semiconductor laseratLaser ng hibla. Ang sumusunod ay higit sa lahat para saLaser Light SourceMalawakang ginagamit sa larangan ng hibla ng hibla sa mga nakaraang taon: makitid na linya ng lapad na single-frequency laser, solong-haba ng haba ng sweep frequency laser at puting laser.
1.1 Mga kinakailangan para sa makitid na linewidthMga mapagkukunan ng ilaw ng laser
Ang optical fiber sensing system ay hindi maaaring paghiwalayin mula sa mapagkukunan ng laser, dahil ang sinusukat na signal carrier light wave, laser light source mismo ang pagganap, tulad ng katatagan ng kuryente, laser linewidth, ingay ng phase at iba pang mga parameter sa optical fiber sensing system detection distansya, katumpakan ng pagtuklas, pagiging sensitibo at mga katangian ng ingay ay naglalaro ng isang decisive na papel. In recent years, with the development of long-distance ultra-high resolution optical fiber sensing systems, academia and industry have put forward more stringent requirements for the linewidth performance of laser miniaturization, mainly in: optical frequency domain reflection (OFDR) technology uses coherent detection technology to analyze the backrayleigh scattered signals of optical fibers in the frequency domain, with a wide coverage (thousands of metro). Ang mga bentahe ng mataas na resolusyon (resolusyon ng antas ng milimetro) at mataas na sensitivity (hanggang sa -100 dBm) ay naging isa sa mga teknolohiya na may malawak na mga prospect ng aplikasyon sa ipinamamahaging optical fiber pagsukat at teknolohiya ng sensing. Ang pangunahing teknolohiya ng OFDR ay ang paggamit ng nakatutuwang ilaw na mapagkukunan upang makamit ang optical frequency tuning, kaya ang pagganap ng mapagkukunan ng laser ay tumutukoy sa mga pangunahing kadahilanan tulad ng saklaw ng pagtuklas ng OFDR, pagiging sensitibo at paglutas. Kapag ang distansya ng point point ay malapit sa haba ng pagkakaugnay, ang intensity ng signal ng matalo ay mapapalawak ng koepisyent τ/τc. Para sa isang mapagkukunan ng ilaw ng Gaussian na may isang kamangha -manghang hugis, upang matiyak na ang dalas ng pagkatalo ay may higit sa 90% na kakayahang makita, ang ugnayan sa pagitan ng linya ng linya ng ilaw na mapagkukunan at ang maximum na haba ng sensing na maaaring makamit ng system ay ang LMAX ~ 0.04VG/F, na nangangahulugang mas mababa sa isang hibla na may haba na 80 km, ang linya ng linya ng ilaw na mapagkukunan ay mas mababa sa 100 Hz. Bilang karagdagan, ang pagbuo ng iba pang mga aplikasyon ay naglalagay din ng mas mataas na mga kinakailangan para sa linewidth ng ilaw na mapagkukunan. Halimbawa, sa optical fiber hydrophone system, ang linewidth ng ilaw na mapagkukunan ay tumutukoy sa ingay ng system at tinutukoy din ang minimum na masusukat na signal ng system. Sa Brillouin optical time domain reflector (BOTDR), ang pagsukat ng resolusyon ng temperatura at stress ay pangunahing tinutukoy ng linewidth ng ilaw na mapagkukunan. Sa isang resonator fiber optic gyro, ang haba ng pagkakaugnay ng light wave ay maaaring madagdagan sa pamamagitan ng pagbabawas ng lapad ng linya ng ilaw na mapagkukunan, sa gayon pinapabuti ang katapatan at resonance na lalim ng resonator, binabawasan ang linya ng linya ng resonator, at tinitiyak ang pagsukat ng pagsukat ng hibla ng optic gyro.
1.2 Mga Kinakailangan para sa Mga Pinagmumulan ng Laser ng Sweep
Ang solong haba ng haba ng wavelength ay may kakayahang umangkop na haba ng haba ng pag -tune, maaaring palitan ang maraming output na naayos na haba ng haba ng haba ng haba, bawasan ang gastos ng konstruksiyon ng system, ay isang kailangang -kailangan na bahagi ng optical fiber sensing system. Halimbawa, sa bakas ng gas fiber sensing, ang iba't ibang uri ng mga gas ay may iba't ibang mga gas ng pagsipsip ng gas. Upang matiyak ang kahusayan ng pagsipsip ng ilaw kapag sapat ang pagsukat ng gas at makamit ang mas mataas na sensitivity ng pagsukat, kinakailangan upang ihanay ang haba ng haba ng haba ng paghahatid ng ilaw na may pagsipsip ng rurok ng molekula ng gas. Ang uri ng gas na maaaring makita ay mahalagang tinutukoy ng haba ng haba ng sensing light source. Samakatuwid, ang makitid na mga laser ng linewidth na may matatag na pagganap ng pag -tune ng broadband ay may mas mataas na kakayahang umangkop sa pagsukat sa naturang mga sistema ng sensing. Halimbawa, sa ilang mga ipinamamahaging optical fiber sensing system batay sa optical frequency domain na pagmuni-muni, ang laser ay kailangang mabilis na pana-panahon upang makamit ang mataas na katumpakan na pagtuklas at demodulasyon ng mga optical signal, kaya ang rate ng modulation ng laser na mapagkukunan ay may medyo mataas na mga kinakailangan, at ang bilis ng pagwalis ng adjustable laser ay karaniwang kinakailangan upang maabot ang 10 pm/μs. Bilang karagdagan, ang haba ng haba ng haba ng haba ng linewidth laser ay maaari ring malawakang magamit sa LIDAR, laser remote sensing at high-resolution spectral analysis at iba pang mga sensing field. Upang matugunan ang mga kinakailangan ng mga mataas na pagganap ng mga parameter ng pag-tune bandwidth, pag-tune ng kawastuhan at pag-tune ng bilis ng mga solong-haba na haba ng haba ng hibla ng hibla sa mga nakaraang taon dalas ng output at kapangyarihan.
1.3 Demand para sa White Laser Light Source
Sa larangan ng optical sensing, ang de-kalidad na puting ilaw na laser ay may malaking kabuluhan upang mapabuti ang pagganap ng system. Ang mas malawak na saklaw ng spectrum ng puting ilaw na laser, mas malawak ang aplikasyon nito sa optical fiber sensing system. Halimbawa, kapag gumagamit ng Fiber Bragg Grating (FBG) upang bumuo ng isang sensor network, spectral analysis o tunable filter na pamamaraan ng pagtutugma ay maaaring magamit para sa demodulasyon. Ang dating ginamit ng isang spectrometer upang direktang subukan ang bawat FBG resonant wavelength sa network. Ang huli ay gumagamit ng isang sanggunian na sanggunian upang subaybayan at i -calibrate ang FBG sa sensing, kapwa nito ay nangangailangan ng isang mapagkukunan ng ilaw ng broadband bilang isang mapagkukunan ng ilaw ng pagsubok para sa FBG. Dahil ang bawat FBG access network ay magkakaroon ng isang tiyak na pagkawala ng pagpasok, at may bandwidth na higit sa 0.1 nm, ang sabay -sabay na demodulation ng maraming FBG ay nangangailangan ng isang mapagkukunan ng ilaw ng broadband na may mataas na lakas at mataas na bandwidth. Halimbawa, kapag gumagamit ng mahabang panahon ng hibla ng grating (LPFG) para sa sensing, dahil ang bandwidth ng isang solong pagkawala ng rurok ay nasa pagkakasunud -sunod ng 10 nm, ang isang malawak na mapagkukunan ng ilaw ng spectrum na may sapat na bandwidth at medyo flat spectrum ay kinakailangan upang tumpak na makilala ang mga resonant na rurok na katangian. Sa partikular, ang acoustic fiber grating (AIFG) na itinayo sa pamamagitan ng paggamit ng acousto-optical effect ay maaaring makamit ang isang tuning range ng resonant wavelength hanggang sa 1000 nm sa pamamagitan ng electrical tuning. Samakatuwid, ang dynamic na pagsubok sa rehas na may tulad ng isang ultra-malawak na hanay ng pag-tune ay nagdudulot ng isang mahusay na hamon sa saklaw ng bandwidth ng isang malawak na spectrum light source. Katulad nito, sa mga nagdaang taon, ang Tilted Bragg Fiber Grating ay malawakang ginagamit sa larangan ng hibla ng hibla. Dahil sa mga katangian ng multi-peak loss spectrum nito, ang saklaw ng pamamahagi ng haba ng haba ay karaniwang maaaring umabot sa 40 nm. Ang mekanismo ng sensing nito ay karaniwang ihambing ang kamag -anak na paggalaw sa maraming mga peak ng paghahatid, kaya kinakailangan upang masukat nang lubusan ang paghahatid ng spectrum nito. Ang bandwidth at kapangyarihan ng malawak na mapagkukunan ng ilaw ng spectrum ay kinakailangan na mas mataas.
2. Katayuan ng Pananaliksik sa bahay at sa ibang bansa
2.1 makitid na mapagkukunan ng ilaw ng laser light
2.1.1 makitid na linewidth semiconductor ipinamamahagi ng feedback laser
Noong 2006, Cliche et al. Binawasan ang scale ng MHz ng semiconductorDFB laser(ipinamamahaging laser ng feedback) sa scale ng KHz gamit ang paraan ng feedback ng elektrikal; Noong 2011, si Kessler et al. Ginamit ang mababang temperatura at mataas na katatagan ng solong kristal na lukab na sinamahan ng aktibong control ng feedback upang makakuha ng ultra-narrow linewidth laser output na 40 MHz; Noong 2013, nakuha ni Peng et al ang isang semiconductor laser output na may isang linewidth na 15 kHz sa pamamagitan ng paggamit ng pamamaraan ng panlabas na feedh-perot (FP) na pagsasaayos ng feedback. Ang paraan ng feedback ng elektrikal na pangunahing ginamit ang feedback ng frequency frequency frequency frequency upang gawin ang laser linewidth ng ilaw na mapagkukunan ay mabawasan. Noong 2010, si Bernhardi et al. Nagawa ang 1 cm ng erbium-doped alumina FBG sa isang silikon na oxide substrate upang makakuha ng isang laser output na may isang linya ng linya na halos 1.7 kHz. Sa parehong taon, si Liang et al. Ginamit ang feedback ng self-injection ng paatras na Rayleigh na nagkakalat na nabuo ng isang high-Q echo wall resonator para sa semiconductor laser line-lapad na compression, tulad ng ipinapakita sa Figure 1, at sa wakas ay nakakuha ng isang makitid na linya ng lapad na laser output ng 160 Hz.
Fig. 1 (a) diagram ng semiconductor laser linewidth compression batay sa self-injection rayleigh na nagkalat ng panlabas na whispering gallery mode resonator;
(b) dalas ng spectrum ng libreng tumatakbo na semiconductor laser na may linewidth ng 8 MHz;
(c) Frequency spectrum ng laser na may linewidth na naka -compress sa 160 Hz
2.1.2 makitid na linewidth fiber laser
Para sa mga linear cavity fiber lasers, ang makitid na linewidth laser output ng solong paayon na mode ay nakuha sa pamamagitan ng pag -ikli ng haba ng resonator at pagtaas ng paayon na agwat ng mode. Noong 2004, ang Spiegelberg et al. Nakuha ang isang solong paayon na mode na makitid na linewidth laser output na may isang linewidth ng 2 kHz sa pamamagitan ng paggamit ng DBR maikling paraan ng lukab. Noong 2007, si Shen et al. Gumamit ng isang 2 cm na mabigat na erbium-doped na silikon na hibla upang isulat ang FBG sa isang bi-ge co-doped photosensitive fiber, at isinama ito ng isang aktibong hibla upang makabuo ng isang compact linear na lukab, na ginagawa ang lapad ng linya ng laser na mas mababa sa 1 kHz. Noong 2010, Yang et al. Gumamit ng isang 2cm na mataas na doped maikling linear na lukab na sinamahan ng isang makitid na filter ng FBG upang makakuha ng isang solong paayon na mode ng laser output na may isang lapad ng linya na mas mababa sa 2 kHz. Noong 2014, ang koponan ay gumamit ng isang maikling linear na lukab (virtual na nakatiklop na singsing na resonator) na sinamahan ng isang filter na FBG-FP upang makakuha ng isang laser output na may mas makitid na linya ng linya, tulad ng ipinapakita sa Larawan 3. Noong 2012, Cai et al. Ginamit ang isang 1.4cm maikling istraktura ng lukab upang makakuha ng isang polarizing laser output na may isang output power na mas malaki kaysa sa 114 MW, isang gitnang haba ng haba ng 1540.3 nm, at isang lapad ng linya na 4.1 kHz. Noong 2013, si Meng et al. Ginamit na Brillouin na nagkalat ng erbium-doped fiber na may isang maikling singsing na lukab ng isang full-bias na pinapanatili ang aparato upang makakuha ng isang solong-longitudinal mode, mababang-phase na ingay na laser output na may isang output power na 10 MW. Noong 2015, ang koponan ay gumagamit ng isang singsing na lukab na binubuo ng 45 cm erbium-doped fiber bilang ang brillouin na nagkakalat ng medium upang makakuha ng isang mababang threshold at makitid na linewidth laser output.
Larawan 2 (a) pagguhit ng eskematiko ng laser ng SLC fiber;
(b) Lineshape ng heterodyne signal na sinusukat na may 97.6 km na pagkaantala ng hibla
Oras ng Mag-post: Nov-20-2023