Технология на лазерен източник заоптично влакноусещане Първа част
Технологията за наблюдение на оптични влакна е вид сензорна технология, разработена заедно с технологията за оптични влакна и комуникационната технология за оптични влакна, и се превърна в един от най-активните клонове на фотоелектрическата технология. Сензорната система за оптични влакна се състои главно от лазер, предавателно влакно, сензорен елемент или зона на модулация, откриване на светлина и други части. Параметрите, описващи характеристиките на светлинната вълна, включват интензитет, дължина на вълната, фаза, състояние на поляризация и т.н. Тези параметри могат да бъдат променени от външни влияния при предаване на оптични влакна. Например, когато температура, деформация, налягане, ток, изместване, вибрация, въртене, огъване и химическо количество влияят на оптичния път, тези параметри се променят съответно. Отчитането на оптични влакна се основава на връзката между тези параметри и външните фактори за откриване на съответните физически величини.
Има много видовелазерен източникизползвани в сензорни системи с оптични влакна, които могат да бъдат разделени на две категории: кохерентнилазерни източниции некохерентни източници на светлина, некохерентниизточници на светлинаосновно включват светлина с нажежаема жичка и диоди, излъчващи светлина, а източниците на кохерентна светлина включват твърди лазери, течни лазери, газови лазери,полупроводников лазерифибролазер. Следващото е основно заизточник на лазерна светлинашироко използвани в областта на сензорите за влакна през последните години: едночестотен лазер с тясна ширина на линията, честотен лазер с една дължина на вълната и бял лазер.
1.1 Изисквания за тясна ширина на линиятаизточници на лазерна светлина
Сензорната система за оптични влакна не може да бъде отделена от лазерния източник, тъй като измерваната сигнална носеща светлинна вълна, самата производителност на източника на лазерна светлина, като стабилност на мощността, ширина на лазерната линия, фазов шум и други параметри на разстоянието за откриване на сензорната система за оптични влакна, откриване точността, чувствителността и характеристиките на шума играят решаваща роля. През последните години, с разработването на сензорни системи за оптични влакна с ултрависока разделителна способност на дълги разстояния, академичните среди и индустрията изложиха по-строги изисквания за характеристиките на ширината на линията на лазерната миниатюризация, главно в: технологията за отражение на оптична честотна област (OFDR) използва кохерентни Технология за откриване за анализиране на обратно разпръснати сигнали на оптични влакна в честотната област с широко покритие (хиляди метри). Предимствата на висока разделителна способност (милиметрова разделителна способност) и висока чувствителност (до -100 dBm) се превърнаха в една от технологиите с широки перспективи за приложение в разпределената технология за измерване на оптични влакна и сензорна технология. Ядрото на технологията OFDR е използването на регулируем източник на светлина за постигане на оптична настройка на честотата, така че производителността на лазерния източник определя ключовите фактори като обхват на откриване на OFDR, чувствителност и разделителна способност. Когато разстоянието на точката на отражение е близо до кохерентната дължина, интензитетът на биещия сигнал ще бъде експоненциално отслабен от коефициента τ/τc. За източник на светлина на Гаус със спектрална форма, за да се гарантира, че честотата на биене има повече от 90% видимост, връзката между ширината на линията на източника на светлина и максималната дължина на засичане, която системата може да постигне, е Lmax~0,04vg /f, което означава, че за влакно с дължина 80 km, широчината на линията на източника на светлина е по-малка от 100 Hz. В допълнение, развитието на други приложения също поставя по-високи изисквания за широчината на линията на източника на светлина. Например, в хидрофонната система с оптични влакна, широчината на линията на източника на светлина определя системния шум и също така определя минималния измерим сигнал на системата. В оптичния рефлектор във времева област на Brillouin (BOTDR) разделителната способност на измерване на температурата и напрежението се определя главно от широчината на линията на източника на светлина. В резонаторен оптичен жироскоп дължината на кохерентност на светлинната вълна може да бъде увеличена чрез намаляване на ширината на линията на светлинния източник, като по този начин се подобрява фиността и дълбочината на резонанса на резонатора, намалява се ширината на линията на резонатора и се гарантира измерването точност на оптичния жироскоп.
1.2 Изисквания за лазерни източници за почистване
Лазерът за сканиране с една дължина на вълната има гъвкава производителност за настройка на дължината на вълната, може да замени множество изходни лазери с фиксирана дължина на вълната, намалява разходите за изграждане на системата, е незаменима част от сензорната система за оптични влакна. Например, при отчитане на влакна със следи от газ, различните видове газове имат различни пикове на абсорбция на газ. За да се гарантира ефективността на поглъщане на светлина, когато измервателният газ е достатъчен и да се постигне по-висока чувствителност на измерване, е необходимо да се изравни дължината на вълната на пропускащия светлинен източник с пика на поглъщане на газовата молекула. Типът газ, който може да бъде открит, се определя основно от дължината на вълната на сензорния източник на светлина. Следователно лазерите с тясна ширина на линията със стабилна производителност на широколентова настройка имат по-висока гъвкавост на измерване в такива сензорни системи. Например, в някои разпределени сензорни системи за оптични влакна, базирани на отражение на оптична честотна област, лазерът трябва бързо да се премества периодично, за да се постигне високопрецизно кохерентно откриване и демодулация на оптични сигнали, така че скоростта на модулация на лазерния източник има относително високи изисквания , а скоростта на движение на регулируемия лазер обикновено се изисква да достигне 10 pm/μs. В допълнение, регулируемият по дължината на вълната лазер с тясна ширина на линията може също да се използва широко в liDAR, лазерно дистанционно наблюдение и спектрален анализ с висока разделителна способност и други сензорни полета. За да се изпълнят изискванията за висока производителност на параметрите на настройка на честотната лента, точността на настройка и скоростта на настройка на лазери с една дължина на вълната в областта на сензора за влакна, общата цел на изучаването на регулируеми оптични лазери с тясна ширина през последните години е да се постигне висока прецизна настройка в по-голям диапазон на дължина на вълната на базата на преследване на ултра-тясна ширина на лазерната линия, ултра-нисък фазов шум и ултра-стабилна изходна честота и мощност.
1.3 Търсене на източник на бяла лазерна светлина
В областта на оптичното отчитане висококачественият лазер с бяла светлина е от голямо значение за подобряване на работата на системата. Колкото по-широко е покритието на спектъра на лазера с бяла светлина, толкова по-широко е приложението му в системата за наблюдение на оптични влакна. Например, когато се използва влакнеста брагова решетка (FBG) за конструиране на сензорна мрежа, за демодулация може да се използва спектрален анализ или метод за съвпадение на регулируем филтър. Първият използва спектрометър за директно тестване на всяка FBG резонансна дължина на вълната в мрежата. Последният използва референтен филтър за проследяване и калибриране на FBG в сензора, като и двата изискват широколентов източник на светлина като тестов източник на светлина за FBG. Тъй като всяка FBG мрежа за достъп ще има определена загуба на вмъкване и има честотна лента от повече от 0,1 nm, едновременната демодулация на множество FBG изисква широколентов източник на светлина с висока мощност и висока честотна лента. Например, когато се използва влакнеста решетка с дълъг период (LPFG) за отчитане, тъй като честотната лента на един пик на загуба е от порядъка на 10 nm, широкоспектърен източник на светлина с достатъчна честотна лента и относително плосък спектър е необходим, за да се характеризира точно неговият резонанс пикови характеристики. По-специално, решетката от акустични влакна (AIFG), конструирана чрез използване на акустооптичен ефект, може да постигне диапазон на настройка на резонансна дължина на вълната до 1000 nm чрез електрическа настройка. Следователно динамичното тестване на решетката с такъв ултра-широк диапазон на настройка представлява голямо предизвикателство за обхвата на честотната лента на широкоспектърен източник на светлина. По същия начин, през последните години, наклонената решетка с Bragg влакна също се използва широко в областта на сензорите за влакна. Поради характеристиките на многопиковия спектър на загубата, обхватът на разпределение на дължината на вълната обикновено може да достигне 40 nm. Неговият сензорен механизъм обикновено е да сравнява относителното движение между множество пикове на предаване, така че е необходимо да се измери напълно неговият спектър на предаване. Изисква се честотната лента и мощността на широкоспектърния източник на светлина да бъдат по-високи.
2. Изследователски статус у нас и в чужбина
2.1 Лазерен светлинен източник с тясна ширина на линията
2.1.1 Полупроводников лазер с тясна ширина на линията с разпределена обратна връзка
През 2006 г. Cliche et al. намалява MHz скалата на полупроводникаDFB лазер(лазер с разпределена обратна връзка) до kHz скала, използвайки метод на електрическа обратна връзка; През 2011 г. Kessler et al. използвана монокристална кухина с ниска температура и висока стабилност, комбинирана с контрол с активна обратна връзка за получаване на лазерен изход с ултра тясна ширина на линията от 40 MHz; През 2013 г. Peng et al получиха полупроводников лазерен изход с широчина на линията от 15 kHz чрез използване на метода за външна настройка на обратната връзка на Fabry-Perot (FP). Методът за електрическа обратна връзка използва главно обратната връзка за стабилизиране на честотата на Pond-Drever-Hall, за да намали ширината на лазерната линия на източника на светлина. През 2010 г. Bernhardi et al. произведе 1 cm легиран с ербий двуалуминиев оксид FBG върху субстрат от силициев оксид, за да получи лазерен изход с ширина на линията от около 1,7 kHz. През същата година Liang et al. използва обратната връзка за самоинжектиране на обратно разсейване на Rayleigh, образувано от резонатор на ехо стена с висок Q за компресиране на ширината на линията на полупроводников лазер, както е показано на фигура 1, и накрая получи лазерен изход с тясна ширина на линията от 160 Hz.
Фигура 1 (а) Диаграма на полупроводниково лазерно компресиране на широчината на линията въз основа на самоинжектирането на Rayleigh разсейване на външен резонатор в режим на шепнеща галерия;
б) Честотен спектър на свободно работещ полупроводников лазер с широчина на линията 8 MHz;
( c ) Честотен спектър на лазера с ширина на линията, компресирана до 160 Hz
2.1.2 Оптичен лазер с тясна ширина на линията
За влакнести лазери с линейна кухина лазерният изход с тясна ширина на линията на един надлъжен мод се получава чрез скъсяване на дължината на резонатора и увеличаване на интервала на надлъжния мод. През 2004 г. Spiegelberg et al. получи един надлъжен режим на лазерен изход с тясна ширина на линията с ширина на линията 2 kHz чрез използване на DBR метод с къса кухина. През 2007 г. Shen et al. използва 2 cm силно легирано с ербий силициево влакно, за да напише FBG върху фоточувствително влакно, легирано с Bi-Ge, и го сля с активно влакно, за да образува компактна линейна кухина, правейки ширината на лазерната изходна линия по-малка от 1 kHz. През 2010 г. Yang et al. използва 2 cm силно легирана къса линейна кухина, комбинирана с теснолентов FBG филтър, за да получи лазерен изход с един надлъжен режим с ширина на линията по-малка от 2 kHz. През 2014 г. екипът използва къса линейна кухина (виртуален сгънат пръстеновиден резонатор), комбиниран с FBG-FP филтър, за да получи лазерен изход с по-тясна ширина на линията, както е показано на Фигура 3. През 2012 г. Cai et al. използва структура с къса кухина от 1,4 cm, за да получи поляризиращ лазерен изход с изходна мощност, по-голяма от 114 mW, централна дължина на вълната 1540,3 nm и ширина на линията 4,1 kHz. През 2013 г. Meng et al. използва разсейване на Brillouin на легирано с ербий влакно с къса пръстеновидна кухина на устройство за запазване на пълно отклонение, за да получи лазерен изход с единичен надлъжен режим и нискофазов шум с изходна мощност от 10 mW. През 2015 г. екипът използва пръстеновидна кухина, съставена от 45 cm легирано с ербий влакно като среда за усилване на разсейването на Brillouin, за да получи лазерен изход с нисък праг и тясна ширина на линията.
Фигура 2 (а) Схематичен чертеж на SLC влакнен лазер;
( b ) Форма на линията на хетеродинния сигнал, измерен с 97, 6 km забавяне на влакното
Време на публикуване: 20 ноември 2023 г