Laser source teknolohiya para saoptical fiberramdam Unang Bahagi
Ang optical fiber sensing technology ay isang uri ng sensing technology na binuo kasama ng optical fiber technology at optical fiber communication technology, at ito ay naging isa sa mga pinaka-aktibong sangay ng photoelectric technology.Ang optical fiber sensing system ay pangunahing binubuo ng laser, transmission fiber, sensing element o modulation area, light detection at iba pang 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 baguhin ng mga panlabas na impluwensya sa optical fiber transmission.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 nakabatay sa ugnayan sa pagitan ng mga parameter na ito at sa mga panlabas na salik upang makita ang kaukulang pisikal na dami.
Maraming uri ngpinagmulan ng laserginagamit sa optical fiber sensing system, na maaaring nahahati sa dalawang kategorya: magkakaugnaymga mapagkukunan ng laserat incoherent light sources, incoherentilaw na pinagmumulanPangunahing kasama ang incandescent light at light-emitting diodes, at ang magkakaugnay na pinagmumulan ng liwanag ay kinabibilangan ng mga solid laser, liquid laser, gas laser,laser ng semiconductoratfiber laser.Ang sumusunod ay pangunahing para sapinagmumulan ng ilaw ng lasermalawakang ginagamit sa larangan ng fiber sensing sa mga nakaraang taon: makitid na linya ng lapad na single-frequency laser, single-wavelength sweep frequency laser at puting laser.
1.1 Mga kinakailangan para sa makitid na linewidthpinagmumulan ng ilaw ng laser
Optical fiber sensing system ay hindi maaaring ihiwalay mula sa laser source, bilang ang sinusukat signal carrier light wave, laser light source mismo ang pagganap, tulad ng power stability, laser linewidth, phase ingay at iba pang mga parameter sa optical fiber sensing system detection distance, detection Ang katumpakan, pagiging sensitibo at mga katangian ng ingay ay gumaganap ng isang mapagpasyang papel.Sa mga nagdaang taon, sa pagbuo ng mga malayuang ultra-high resolution na optical fiber sensing system, ang akademya at industriya ay naglagay ng mas mahigpit na mga kinakailangan para sa linewidth na pagganap ng laser miniaturization, pangunahin sa: optical frequency domain reflection (OFDR) na teknolohiya ay gumagamit ng magkakaugnay. teknolohiya ng pagtuklas upang pag-aralan ang backrayleigh na nakakalat na mga signal ng optical fibers sa frequency domain, na may malawak na saklaw (libu-libong metro).Ang mga bentahe ng mataas na resolution (millimeter-level resolution) at mataas na sensitivity (hanggang sa -100 dBm) ay naging isa sa mga teknolohiyang may malawak na prospect ng aplikasyon sa distributed optical fiber measurement at sensing technology.Ang pangunahing bahagi ng teknolohiya ng OFDR ay ang paggamit ng tunable light source upang makamit ang optical frequency tuning, kaya ang pagganap ng laser source ay tumutukoy sa mga pangunahing salik tulad ng OFDR detection range, sensitivity at resolution.Kapag ang distansya ng reflection point ay malapit sa haba ng coherence, ang intensity ng beat signal ay exponentially attenuated ng coefficient τ/τc.Para sa Gaussian light source na may spectral na hugis, upang matiyak na ang beat frequency ay may higit sa 90% visibility, ang ugnayan sa pagitan ng lapad ng linya ng light source at ang maximum sensing length na maaaring makuha ng system ay Lmax~0.04vg /f, na nangangahulugan na para sa isang hibla na may haba na 80 km, ang lapad ng linya ng pinagmumulan ng liwanag ay mas mababa sa 100 Hz.Bilang karagdagan, ang pagbuo ng iba pang mga application ay naglalagay din ng mas mataas na mga kinakailangan para sa linewidth ng light source.Halimbawa, sa optical fiber hydrophone system, tinutukoy ng linewidth ng light source ang ingay ng system at tinutukoy din ang pinakamababang nasusukat na 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 haba ng pagkakaugnay ng liwanag na alon ay maaaring tumaas sa pamamagitan ng pagbabawas ng lapad ng linya ng pinagmumulan ng liwanag, sa gayon pagpapabuti ng kalinisan at lalim ng resonance ng resonator, pagbabawas ng lapad ng linya ng resonator, at pagtiyak ng pagsukat katumpakan ng fiber optic gyro.
1.2 Mga kinakailangan para sa sweep laser source
Ang solong wavelength sweep laser ay may flexible wavelength tuning performance, maaaring palitan ang maramihang output fixed wavelength lasers, bawasan ang gastos ng system construction, ay isang kailangang-kailangan na 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 pagsukat ng gas at makamit ang mas mataas na sensitivity ng pagsukat, kinakailangang ihanay ang wavelength ng pinagmumulan ng liwanag ng paghahatid sa pinakamataas na pagsipsip ng molekula ng gas.Ang uri ng gas na maaaring matukoy ay mahalagang tinutukoy ng wavelength ng sensing light source.Samakatuwid, ang mga makitid na linewidth na laser na may matatag na pagganap ng pag-tune ng broadband ay may mas mataas na kakayahang umangkop sa pagsukat sa mga naturang sensing system.Halimbawa, sa ilang distributed optical fiber sensing system batay sa optical frequency domain reflection, ang laser ay kailangang pana-panahong swept para makamit ang high-precision coherent detection at demodulation ng optical signals, kaya ang modulation rate ng laser source ay medyo mataas ang mga kinakailangan. , at ang bilis ng sweep ng adjustable laser ay karaniwang kinakailangan upang maabot ang 10 pm/μs.Bilang karagdagan, ang wavelength tunable narrow linewidth laser ay maaari ding malawakang magamit sa liDAR, laser remote sensing at high-resolution na spectral analysis at iba pang sensing field.Upang matugunan ang mga kinakailangan ng mataas na pagganap ng mga parameter ng tuning bandwidth, tuning accuracy at tuning speed ng single-wavelength lasers sa larangan ng fiber sensing, ang pangkalahatang layunin ng pag-aaral ng tunable narrow-width fiber laser sa mga nakaraang taon ay upang makamit ang mataas na- katumpakan na pag-tune sa isang mas malaking hanay ng wavelength sa batayan ng paghabol sa ultra-makitid na laser linewidth, ultra-low phase noise, at ultra-stable na dalas at kapangyarihan ng output.
1.3 Demand para sa puting laser light source
Sa larangan ng optical sensing, ang mataas na kalidad na white light laser ay may malaking kahalagahan upang mapabuti ang pagganap ng system.Ang mas malawak na spectrum coverage ng white light laser, mas malawak ang aplikasyon nito sa optical fiber sensing system.Halimbawa, kapag gumagamit ng 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.Gumagamit ang huli ng reference na filter para subaybayan at i-calibrate ang FBG sa sensing, na parehong nangangailangan ng broadband light source bilang pansubok na source ng liwanag para sa FBG.Dahil ang bawat FBG access network ay magkakaroon ng ilang 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 kapangyarihan at mataas na bandwidth.Halimbawa, kapag gumagamit ng long period fiber grating (LPFG) para sa sensing, dahil ang bandwidth ng isang loss peak ay nasa pagkakasunud-sunod ng 10 nm, isang malawak na spectrum light source na may sapat na bandwidth at medyo flat spectrum ay kinakailangan upang tumpak na makilala ang resonant nito. mga katangian ng rurok.Sa partikular, ang acoustic fiber grating (AIFG) na binuo sa pamamagitan ng paggamit ng acousto-optical effect ay maaaring makamit ang isang hanay ng tuning ng resonant wavelength hanggang 1000 nm sa pamamagitan ng electrical tuning.Samakatuwid, ang dynamic na pagsubok ng grating na may tulad na ultra-wide tuning range ay nagdudulot ng isang malaking hamon sa hanay ng bandwidth ng isang malawak na spectrum na pinagmumulan ng liwanag.Katulad nito, sa mga nakaraang taon, ang tilted Bragg fiber grating ay malawakang ginagamit sa larangan ng fiber sensing.Dahil sa mga katangian ng multi-peak loss spectrum nito, karaniwang maaaring umabot sa 40 nm ang wavelength distribution range.Ang mekanismo ng sensing nito ay karaniwang upang ihambing ang kamag-anak na paggalaw sa maraming mga taluktok ng transmission, kaya kinakailangang sukatin nang buo ang transmission spectrum nito.Ang bandwidth at kapangyarihan ng malawak na spectrum na pinagmumulan ng liwanag ay kailangang mas mataas.
2. Katayuan ng pananaliksik sa loob at labas ng bansa
2.1 Makitid na linewidth na pinagmumulan ng ilaw ng laser
2.1.1 Narrow linewidth semiconductor distributed feedback laser
Noong 2006, si Cliche et al.binawasan ang MHz scale ng semiconductorDFB laser(ipinamahagi ang feedback laser ) sa kHz scale gamit ang electrical feedback method;Noong 2011, si Kessler et al.ginamit ang mababang temperatura at mataas na katatagan na solong kristal na lukab na sinamahan ng aktibong kontrol ng feedback upang makakuha ng ultra-makitid na linewidth na laser output na 40 MHz;Noong 2013, si Peng et al ay nakakuha ng semiconductor laser output na may linewidth na 15 kHz sa pamamagitan ng paggamit ng paraan ng panlabas na pagsasaayos ng feedback ng Fabry-Perot (FP).Pangunahing ginamit ng paraan ng electrical feedback ang Pond-Drever-Hall frequency stabilization feedback para mabawasan ang laser linewidth ng light source.Noong 2010, Bernhardi et al.gumawa ng 1 cm ng erbium-doped alumina FBG sa isang silicon oxide substrate upang makakuha ng laser output na may lapad ng linya na humigit-kumulang 1.7 kHz.Sa parehong taon, Liang et al.ginamit ang self-injection na feedback ng backward Rayleigh scattering na nabuo ng isang high-Q echo wall resonator para sa semiconductor laser line-width compression, tulad ng ipinapakita sa Figure 1, at sa wakas ay nakakuha ng isang makitid na line-width na laser output na 160 Hz.
Fig. 1 (a) Diagram ng semiconductor laser linewidth compression batay sa self-injection Rayleigh scattering ng external whispering gallery mode resonator;
(b) Frequency spectrum ng free running semiconductor laser na may linewidth na 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 linear cavity fiber lasers, ang makitid na linewidth laser na output ng solong longitudinal mode ay nakukuha sa pamamagitan ng pagpapaikli sa haba ng resonator at pagtaas ng longitudinal mode interval.Noong 2004, Spiegelberg et al.nakakuha ng isang solong longitudinal mode narrow linewidth laser output na may linewidth na 2 kHz sa pamamagitan ng paggamit ng DBR short cavity method.Noong 2007, si Shen et al.gumamit ng 2 cm na mabigat na erbium-doped na silicon fiber upang isulat ang FBG sa isang Bi-Ge na co-doped na photosensitive fiber, at pinagsama ito ng aktibong fiber upang bumuo ng compact linear na lukab, na ginagawang mas mababa sa 1 kHz ang lapad ng linya ng laser output nito.Noong 2010, si Yang et al.gumamit ng 2cm mataas na doped na maikling linear na lukab na sinamahan ng isang narrowband na FBG na filter upang makakuha ng isang solong longitudinal mode na laser output na may lapad ng linya na mas mababa sa 2 kHz.Noong 2014, gumamit ang team ng maikling linear na lukab (virtual folded ring resonator) na sinamahan ng FBG-FP filter para makakuha ng laser output na may mas makitid na lapad ng linya, tulad ng ipinapakita sa Figure 3. Noong 2012, Cai et al.gumamit ng 1.4cm maikling istraktura ng lukab upang makakuha ng polarizing laser output na may output power na higit sa 114 mW, isang gitnang wavelength na 1540.3 nm, at isang lapad ng linya na 4.1 kHz.Noong 2013, si Meng et al.ginamit ang Brillouin scattering ng erbium-doped fiber na may maikling ring cavity ng full-bias preserving device para makakuha ng single-longitudinal mode, low-phase noise laser output na may output power na 10 mW.Noong 2015, gumamit ang team ng ring cavity na binubuo ng 45 cm erbium-doped fiber bilang Brillouin scattering gain medium upang makakuha ng mababang threshold at makitid na linewidth na laser output.
Fig. 2 (a) Schematic drawing ng SLC fiber laser;
(b) Lineshape ng heterodyne signal na sinusukat na may 97.6 km fiber delay
Oras ng post: Nob-20-2023