Лазерна технология за източник заОптични влакнаЗасилване на част първа
Технологията за оптични фибри е вид сензорна технология, разработена заедно с технологията на оптични влакна и комуникационната технология на оптичните влакна и тя се превърна в един от най -активните клонове на фотоелектрическата технология. Системата за оптично сензорни влакна се състои главно от лазер, трансмисионно влакно, сензорна елемент или зона на модулация, откриване на светлина и други части. Параметрите, описващи характеристиките на светлинната вълна, включват интензивност, дължина на вълната, фаза, поляризация и др. Тези параметри могат да бъдат променени чрез външни влияния при оптичното предаване на влакната. Например, когато температурата, напрежението, налягането, токът, изместването, вибрациите, въртенето, огъването и химичното количество влияят на оптичния път, тези параметри се променят съответно. Оптичното сензиране на влакната се основава на връзката между тези параметри и външните фактори за откриване на съответните физически количества.
Има много видовелазерен източникИзползва се в оптични системи за сензорни влакна, които могат да бъдат разделени на две категории: съгласуванЛазерни източниции несъгласувани източници на светлина, несъгласуваниизточници на светлинаВключете главно диоди с нажежаема светлина и светлинно излъчване, а кохерентните източници на светлина включват твърди лазери, течни лазери, газови лазери,Полупроводник лазериЛазер от влакна. Следното е главно заЛазерен източник на светлинаШироко използван в областта на сензора на влакната през последните години: Едно-честотна лазерна, лазерна лазерна с тесна линия и бял лазер.
1.1 ИЗИСКВАНИЯ ЗА СВЕТЛИНА ЛИНИЯЛазерни източници на светлина
Оптичното сензорна система за фибри не може да бъде отделена от източника на лазер, тъй като измерената светлинна вълна на носителя на сигнала, ефективността на самия източник на лазерна светлина, като стабилност на мощността, широчина на лазерната линия на линията, фазов шум и други параметри на характеристиките на оптичното сензорно разстояние на системата за откриване, точността на откриване, чувствителността и характеристиките на NOISE играят разстояние. 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 метри). Предимствата на високата разделителна способност (разделителна способност на милиметър) и висока чувствителност (до -100 dBm) се превърнаха в една от технологиите с широки перспективи за приложение в технологията за измерване на оптични влакна и сензор. Ядрото на OFDR технологията е да се използва регулируем източник на светлина за постигане на оптична честотна настройка, така че работата на лазерния източник определя ключовите фактори като обхвата на откриване на OFDR, чувствителността и разделителната способност. Когато разстоянието на точката на отражение е близо до дължината на съгласуваността, интензивността на сигнала за ритъм ще бъде експоненциално атенюирана от коефициента τ/τc. За гаусски източник на светлина със спектрална форма, за да се гарантира, че честотата на ритъм има повече от 90% видимост, връзката между ширината на линията на източника на светлина и максималната сензорна дължина, която системата може да постигне, е LMAX ~ 0,04Vg/F, което означава, че за влакно с дължина 80 km, ширината на линията на източника на светлина е по -малко от 100 HZ. В допълнение, разработването на други приложения също поставя по -високи изисквания за широчината на линията на източника на светлина. Например, в хидрофонната система за оптични влакна, широчината на линията на източника на светлина определя системния шум и също така определя минималния измерим сигнал на системата. В рефлектора на оптичния домейн на Brillouin (BOTDR), разделителната способност на температурата и напрежението се определя главно от широчината на линията на източника на светлина. В резонаторния оптичен жироскоп, дължината на кохерентността на светлинната вълна може да се увеличи чрез намаляване на ширината на линията на източника на светлина, като по този начин се подобри финността и дълбочината на резонанса на резонатора, намалявайки ширината на линията на резонатора и осигуряване на точността на измерване на оптичната жилка.
1.2 Изисквания за лазерни източници на Sweep Laser
Еднократната дължина на вълната лазер има гъвкава производителност на настройката на дължината на вълната, може да замени множество изходни фиксирани лазери с дължина на вълната, да намали цената на изграждането на системата, е незаменима част от оптичното сензорна система. Например, при изпитване на следи от газови влакна, различни видове газове имат различни пикове за абсорбция на газ. За да се гарантира ефективността на абсорбцията на светлината, когато измервателният газ е достатъчен и се постигне по -висока чувствителност към измерване, е необходимо да се приведе дължината на вълната на източника на скоростна светлина с пика на абсорбция на газовата молекула. Типът газ, който може да бъде открит, се определя по същество от дължината на вълната на сензорния източник на светлина. Следователно, тесните лазери на ширината на линията със стабилна работа с широколентова настройка имат по -висока гъвкавост на измерването в такива сензорни системи. Например, в някои разпределени оптични системи за сензорни влакна, базирани на оптична честотна отражение на домейна, лазерът трябва бързо да бъде периодично пометен, за да се постигне висококшично кохерентно откриване и демодулация на оптични сигнали, така че скоростта на модулация на източника на лазер има относително по-високи изисквания, а скоростта на регулиране на регулируемия лазер обикновено се изисква да достигне до 10 pm/μs. В допълнение, лазерът на тесната линия на тесната линия на дължината на вълната може да бъде широко използван в LIDAR, лазерно дистанционно наблюдение и спектрален анализ с висока разделителна способност и други сензорни полета. In order to meet the requirements of high performance parameters of tuning bandwidth, tuning accuracy and tuning speed of single-wavelength lasers in the field of fiber sensing, the overall goal of studying tunable narrow-width fiber lasers in recent years is to achieve high-precision tuning in a larger wavelength range on the basis of pursuing ultra-narrow laser linewidth, ultra-low phase noise, and ultra-stable output честота и мощност.
1.3 Търсене на източник на бяла лазерна светлина
В областта на оптичното усещане висококачественият бял светлинен лазер е от голямо значение за подобряване на работата на системата. Колкото по -широко е покритието на спектъра на лазер с бяла светлина, толкова по -обширно е приложението му в системата за оптични влакна. Например, когато използвате Fiber Bragg Grating (FBG) за конструиране на сензорна мрежа, спектрален анализ или метод за съвпадение на настройване на филтъра може да се използва за демодулация. Първият използва спектрометър за директно тестване на всяка дължина на вълната на FBG в мрежата. Последният използва референтен филтър за проследяване и калибриране на FBG в сензора, като и двете изискват източник на широколентова светлина като източник на тестова светлина за FBG. Тъй като всяка мрежа за достъп до FBG ще има определена загуба на вмъкване и има честотна лента над 0,1 nm, едновременната демодулация на множество FBG изисква източник на широколентова светлина с висока мощност и висока честотна лента. Например, когато се използва решетка с дълги периоди на влакна (LPFG) за сензор, тъй като честотната лента на един пик на загуба е от порядъка на 10 nm, е необходим източник на широк спектър с достатъчна честотна лента и сравнително плосък спектър, за да се характеризират точно неговите резонансни пикови характеристики. По-специално, акустичната решетка (AIFG), конструирана чрез използване на акусто-оптичен ефект, може да постигне обхват на настройка на резонансна дължина на вълната до 1000 nm с помощта на електрическа настройка. Следователно, динамичното тестване на решетката с такъв ултра широк диапазон на настройка представлява голямо предизвикателство за обхвата на честотната лента на източник на светлина с широк спектър. По подобен начин през последните години наклонената решетка на Bragg Fiber също се използва широко в областта на сензорите на влакната. Поради характеристиките на спектъра на загуба на много пики, диапазонът на разпределение на дължината на вълната обикновено може да достигне 40 nm. Неговият механизъм за сензор обикновено е да сравнява относителното движение между множество пикове на предаване, така че е необходимо да се измери напълно неговият спектър на предаване. Широчината и силата на широкия източник на спектър на светлината трябва да бъдат по -високи.
2. Статус на изследвания у дома и в чужбина
2.1 Източник на лазерна светлина с тесна ширина на линията
2.1.1 Тесна линия на ширината на линията полупроводник Разпределена обратна връзка Лазер
През 2006 г. Cliche et al. намали MHz скалата на полупроводникаDFB лазер(Разпределен лазер за обратна връзка) към kHz скала, използвайки метод за електрическа обратна връзка; През 2011 г. Kessler et al. използва се ниска температура и висока стабилност единична кристална кухина, комбинирана с активен контрол на обратната връзка, за да се получи лазерна изхода на ултра-по-нататък от 40 MHz; През 2013 г. Peng et al получиха полупроводников лазерен изход с ширина на линията 15 kHz, използвайки метода на външна регулиране на обратната връзка на Fabry-Perot (FP). Методът на електрическа обратна връзка използва главно обратната връзка за стабилизиране на езерната честота на езерната зала, за да направи намаляването на широчината на лазерната линия на източника на светлина. През 2010 г. Bernhardi et al. произвежда 1 см ербий-легиран алуминиев FBG върху субстрат на силициев оксид, за да се получи лазерен изход с ширина на линията около 1,7 kHz. През същата година Liang et al. Използваха обратната връзка за саморазпръскване на разсейване на Rayleigh, образувано от резонатор на стена с висок Q за сгъстяване на полупроводникови лазерни линии, както е показано на фигура 1, и накрая получи тесен лазерен изход на ширината на линията от 160 Hz.
Фиг. 1 (a) Диаграма на полупроводниковата лазерна компресия на ширината на линията въз основа на самостоятелно инжектиране на Rayleigh разсейване на резонатор на режим на галерия за външно шепот;
б) честотен спектър на свободното работещ полупроводник лазер с ширина на линията 8 MHz;
в) Честотен спектър на лазера с ширина на линията, компресиран до 160 Hz
2.1.2 Лазер с тесна ширина на линията
За лазерите на линейните кухини, тесният лазерен изход на ширината на линията на единичен надлъжен режим се получава чрез скъсяване на дължината на резонатора и увеличаване на интервала на надлъжния режим. През 2004 г. Spiegelberg et al. Получава единичен надлъжен режим тесен лазерен изход на линейната линия с ширина на линията 2 kHz чрез използване на метод на къса кухина на DBR. През 2007 г. Shen et al. Използва 2 см, силно легиран от ербий силиконово влакно, за да напише FBG на BI-GE-коефициент на фоточувствително влакно и го слее с активно влакно, за да образува компактна линейна кухина, което прави неговата ширина на лазерната изходна линия по-малка от 1 kHz. През 2010 г. Yang et al. Използва се 2 см силно легирана къса линейна кухина, комбинирана с теснолентов FBG филтър, за да се получи един лазерен изход на надлъжен режим с ширина на линията под 2 kHz. През 2014 г. екипът използва къса линейна кухина (виртуален сгънат пръстен резонатор), комбиниран с FBG-FP филтър, за да получи лазерен изход с по-тесна ширина на линията, както е показано на фигура 3. През 2012 г., Cai et al. използва 1,4 см къса структура на кухината, 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. Използвано разсейване на брилуин на ербийско влакно с къса пръстенна кухина на устройство за запазване на пълни отклонения, за да се получи еднократна режим, нискофазен шумов изход с изходна мощност от 10 MW. През 2015 г. екипът използва пръстенна кухина, съставена от 45 см ербийско влакно, като среда на разсейване на разсейване на брилуните, за да получи нисък праг и тесен лазерен изход на линията.
Фиг. 2 (а) схематична рисунка на лазера SLC влакна;
(б) Линеш на сигнала на хетеродина, измерена със закъснение от 97,6 км
Време за публикация: 20-2023 ноември