Teknolohiya ng pinagmumulan ng laser para sa optical fiber sensing Unang Bahagi

Teknolohiya ng pinagmumulan ng laser para sahibla ng optikapagdama Unang Bahagi

Ang teknolohiyang optical fiber sensing ay isang uri ng teknolohiyang sensing na binuo kasama ng teknolohiyang optical fiber at teknolohiyang komunikasyon ng optical fiber, at ito ay naging isa sa mga pinakaaktibong sangay ng teknolohiyang photoelectric. Ang sistemang optical fiber sensing ay pangunahing binubuo ng laser, transmission fiber, sensing element o modulation area, light detection at iba pang mga bahagi. Ang mga parameter na naglalarawan sa mga katangian ng light wave ay kinabibilangan ng intensity, wavelength, phase, polarization state, atbp. Ang mga parameter na ito ay maaaring mabago ng mga panlabas na impluwensya sa transmission ng optical fiber. Halimbawa, kapag ang temperatura, strain, pressure, current, displacement, vibration, rotation, bending at chemical quantity ay nakakaapekto sa optical path, ang mga parameter na ito ay nagbabago nang naaayon. Ang optical fiber sensing ay batay sa ugnayan sa pagitan ng mga parameter na ito at mga panlabas na salik upang matukoy ang kaukulang pisikal na dami.

Maraming uri ngpinagmumulan ng laserginagamit sa mga optical fiber sensing system, na maaaring hatiin sa dalawang kategorya: coherentmga pinagmumulan ng laserat hindi magkakaugnay na mga pinagmumulan ng liwanag, hindi magkakaugnaymga pinagmumulan ng liwanagpangunahing kinabibilangan ng incandescent light at light-emitting diode, at ang mga coherent light source ay kinabibilangan ng mga solid laser, liquid laser, gas laser,laser na semikondaktorathibla ng laserAng sumusunod ay pangunahing para sapinagmumulan ng liwanag na laserMalawakang ginagamit sa larangan ng fiber sensing nitong mga nakaraang taon: narrow line width single-frequency laser, single-wavelength sweep frequency laser at white laser.

1.1 Mga Kinakailangan para sa Makitid na Linewidthmga pinagmumulan ng liwanag ng laser

Hindi maaaring ihiwalay ang optical fiber sensing system sa laser source, dahil ang sinusukat na signal carrier light wave, ang performance mismo ng laser light source, tulad ng power stability, laser linewidth, phase noise at iba pang mga parameter sa optical fiber sensing system detection distance, detection accuracy, sensitivity at ingay characteristics, ay may mahalagang papel. Sa mga nakaraang taon, kasabay ng pag-unlad ng long-distance ultra-high resolution optical fiber sensing systems, ang akademya at industriya ay naghain ng mas mahigpit na mga kinakailangan para sa linewidth performance ng laser miniaturization, pangunahin na sa: optical frequency domain reflection (OFDR) technology ay gumagamit ng coherent detection technology upang suriin ang backrayleigh scattered signals ng optical fibers sa frequency domain, na may malawak na coverage (libong metro). Ang mga bentahe ng high resolution (millimeter-level resolution) at high sensitivity (hanggang -100 dBm) ay naging isa sa mga teknolohiyang may malawak na aplikasyon sa distributed optical fiber measurement at sensing technology. Ang core ng OFDR technology ay ang paggamit ng tunable light source upang makamit ang optical frequency tuning, kaya ang performance ng laser source ang tumutukoy sa mga pangunahing salik tulad ng OFDR detection range, sensitivity at resolution. Kapag ang distansya ng reflection point ay malapit sa coherence length, ang intensity ng beat signal ay exponentially attenuated ng coefficient τ/τc. Para sa isang Gaussian light source na may spectral shape, upang matiyak na ang beat frequency ay may higit sa 90% visibility, ang relasyon sa pagitan ng line width ng light source at ang maximum sensing length na maaaring makamit ng system ay Lmax~0.04vg/f, na nangangahulugang para sa isang fiber na may haba na 80 km, ang line width ng light source ay mas mababa sa 100 Hz. Bukod pa rito, ang pag-unlad ng iba pang mga aplikasyon ay naglalagay din ng mas mataas na mga kinakailangan para sa linewidth ng light source. Halimbawa, sa optical fiber hydrophone system, ang linewidth ng light source ang tumutukoy sa system noise at tumutukoy din sa minimum measurable signal ng system. Sa Brillouin optical time domain reflector (BOTDR), ang resolution ng pagsukat ng temperatura at stress ay pangunahing tinutukoy ng linewidth ng light source. Sa isang resonator fiber optic gyro, ang coherence length ng light wave ay maaaring dagdagan sa pamamagitan ng pagbabawas ng line width ng light source, sa gayon ay mapapabuti ang fineness at resonance depth ng resonator, na binabawasan ang line width ng resonator, at tinitiyak ang katumpakan ng pagsukat ng fiber optic gyro.

1.2 Mga Kinakailangan para sa mga Pinagmumulan ng Sweep Laser

Ang single wavelength sweep laser ay may flexible na wavelength tuning performance, kayang palitan ang multiple output fixed wavelength lasers, nakakabawas sa gastos ng pagbuo ng system, at isang mahalagang bahagi ng optical fiber sensing system. Halimbawa, sa trace gas fiber sensing, ang iba't ibang uri ng gas ay may iba't ibang gas absorption peak. Upang matiyak ang kahusayan sa pagsipsip ng liwanag kapag sapat ang measurement gas at makamit ang mas mataas na measurement sensitivity, kinakailangang ihanay ang wavelength ng transmission light source sa absorption peak ng gas molecule. Ang uri ng gas na maaaring matukoy ay mahalagang tinutukoy ng wavelength ng sensing light source. Samakatuwid, ang mga narrow linewidth laser na may stable broadband tuning performance ay may mas mataas na measurement flexibility sa mga naturang sensing system. Halimbawa, sa ilang distributed optical fiber sensing system na batay sa optical frequency domain reflection, ang laser ay kailangang mabilis na pana-panahong i-sweep upang makamit ang high-precision coherent detection at demodulation ng mga optical signal, kaya ang modulation rate ng laser source ay may medyo mataas na kinakailangan, at ang sweep speed ng adjustable laser ay karaniwang kinakailangan na umabot sa 10 pm/μs. Bukod pa rito, ang wavelength tunable narrow linewidth laser ay maaari ding malawakang gamitin sa liDAR, laser remote sensing at high-resolution spectral analysis at iba pang larangan ng sensing. Upang matugunan ang mga kinakailangan ng mga high performance parameter ng tuning bandwidth, tuning accuracy at tuning speed ng mga single-wavelength laser sa larangan ng fiber sensing, ang pangkalahatang layunin ng pag-aaral ng tunable narrow-width fiber laser nitong mga nakaraang taon ay upang makamit ang high-precision tuning sa mas malaking wavelength range batay sa paghabol sa ultra-narrow laser linewidth, ultra-low phase noise, at ultra-stable output frequency at power.

1.3 Pangangailangan para sa puting pinagmumulan ng liwanag ng laser

Sa larangan ng optical sensing, ang mataas na kalidad na white light laser ay may malaking kahalagahan upang mapabuti ang performance ng sistema. Kung mas malawak ang spectrum coverage ng white light laser, mas malawak ang aplikasyon nito sa optical fiber sensing system. Halimbawa, kapag ginagamit ang fiber Bragg grating (FBG) upang bumuo ng sensor network, maaaring gamitin ang spectral analysis o tunable filter matching method para sa demodulation. Ang una ay gumamit ng spectrometer upang direktang subukan ang bawat FBG resonant wavelength sa network. Ang huli ay gumagamit ng reference filter upang subaybayan at i-calibrate ang FBG sa sensing, na parehong nangangailangan ng broadband light source bilang test light source para sa FBG. Dahil ang bawat FBG access network ay magkakaroon ng tiyak na insertion loss, at may bandwidth na higit sa 0.1 nm, ang sabay-sabay na demodulation ng maraming FBG ay nangangailangan ng broadband light source na may mataas na power at mataas na bandwidth. Halimbawa, kapag gumagamit ng long period fiber grating (LPFG) para sa sensing, dahil ang bandwidth ng isang single loss peak ay nasa order na 10 nm, kinakailangan ang isang broad spectrum light source na may sapat na bandwidth at medyo patag na spectrum upang tumpak na makilala ang mga katangian ng resonant peak nito. Sa partikular, ang acoustic fiber grating (AIFG) na ginawa gamit ang acousto-optical effect ay maaaring makamit ang isang tuning range ng resonant wavelength hanggang 1000 nm sa pamamagitan ng electrical tuning. Samakatuwid, ang dynamic grating testing na may ganitong ultra-wide tuning range ay nagdudulot ng isang malaking hamon sa bandwidth range ng isang wide-spectrum light source. Katulad nito, sa mga nakaraang taon, ang tilted Bragg fiber grating ay malawakang ginagamit din sa larangan ng fiber sensing. Dahil sa mga katangian ng multi-peak loss spectrum nito, ang wavelength distribution range ay karaniwang maaaring umabot sa 40 nm. Ang mekanismo ng sensing nito ay karaniwang ihambing ang relatibong paggalaw sa maraming transmission peak, kaya kinakailangang sukatin nang buo ang transmission spectrum nito. Ang bandwidth at power ng wide spectrum light source ay kinakailangang mas mataas.

2. Katayuan ng pananaliksik sa loob at labas ng bansa

2.1 Makitid na linewidth na pinagmumulan ng liwanag ng laser

2.1.1 Makitid na linewidth na semiconductor distributed feedback laser

Noong 2006, binawasan nina Cliche et al. ang MHz scale ng semiconductorLaser ng DFB(distributed feedback laser) sa kHz scale gamit ang electrical feedback method; Noong 2011, ginamit nina Kessler et al. ang mababang temperatura at mataas na estabilidad na single crystal cavity na sinamahan ng active feedback control upang makakuha ng ultra-narrow linewidth laser output na 40 MHz; Noong 2013, nakakuha sina Peng et al. ng semiconductor laser output na may linewidth na 15 kHz gamit ang external Fabry-Perot (FP) feedback adjustment. Pangunahing ginamit ng electrical feedback method ang Pond-Drever-Hall frequency stabilization feedback upang mabawasan ang laser linewidth ng light source. Noong 2010, gumawa sina Bernhardi et al. ng 1 cm ng erbium-doped alumina FBG sa isang silicon oxide substrate upang makakuha ng laser output na may line width na humigit-kumulang 1.7 kHz. Sa parehong taon, sina Liang et al. ginamit ang self-injection feedback ng backward Rayleigh scattering na nabuo ng isang high-Q echo wall resonator para sa semiconductor laser line-width compression, gaya ng ipinapakita sa Figure 1, at sa wakas ay nakakuha ng isang narrow line-width laser output na 160 Hz.

Larawan 1 (a) Dayagram ng semiconductor laser linewidth compression batay sa self-injection Rayleigh scattering ng external whispering gallery mode resonator;
(b) Ispektrum ng dalas ng malayang tumatakbong semiconductor laser na may linewidth na 8 MHz;
(c) Ispektrum ng dalas ng laser na may linewidth na naka-compress sa 160 Hz
2.1.2 Makitid na lapad ng hibla ng laser

Para sa mga linear cavity fiber laser, ang narrow linewidth laser output ng single longitudinal mode ay nakukuha sa pamamagitan ng pagpapaikli sa haba ng resonator at pagpapataas ng longitudinal mode interval. Noong 2004, nakakuha sina Spiegelberg et al. ng single longitudinal mode narrow linewidth laser output na may linewidth na 2 kHz gamit ang DBR short cavity method. Noong 2007, gumamit sina Shen et al. ng 2 cm heavily erbium-doped silicon fiber upang isulat ang FBG sa isang Bi-Ge co-doped photosensitive fiber, at pinag-fuse ito sa isang active fiber upang bumuo ng isang compact linear cavity, na ginagawang mas mababa sa 1 kHz ang lapad ng linya ng output ng laser nito. Noong 2010, gumamit sina Yang et al. ng 2cm highly doped short linear cavity na sinamahan ng isang narrowband FBG filter upang makakuha ng single longitudinal mode laser output na may lapad ng linya na mas mababa sa 2 kHz. Noong 2014, gumamit ang pangkat ng isang maikling linear cavity (virtual folded ring resonator) na sinamahan ng isang FBG-FP filter upang makakuha ng laser output na may mas makitid na lapad ng linya, gaya ng ipinapakita sa Figure 3. Noong 2012, gumamit sina Cai et al. ng isang 1.4cm na maikling istruktura ng cavity upang makakuha ng polarizing laser output na may output power na higit sa 114 mW, isang central wavelength na 1540.3 nm, at isang lapad ng linya na 4.1 kHz. Noong 2013, ginamit nina Meng et al. ang Brillouin scattering ng erbium-doped fiber na may maikling ring cavity ng isang full-bias preserving device upang makakuha ng single-longitudinal mode, low-phase noise laser output na may output power na 10 mW. Noong 2015, gumamit ang pangkat ng isang ring cavity na binubuo ng 45 cm erbium-doped fiber bilang Brillouin scattering gain medium upang makakuha ng mababang threshold at makitid na linewidth laser output.

Larawan 2 (a) Eskematikong drowing ng SLC fiber laser;
(b) Hugis ng linya ng heterodyne signal na sinukat gamit ang 97.6 km fiber delay