Технология на лазерния източник заоптично влакносензорна част първа
Технологията за сензори с оптични влакна е вид сензорна технология, разработена заедно с технологията на оптичните влакна и технологията за комуникация с оптични влакна, и се е превърнала в един от най-активните клонове на фотоелектричната технология. Системата за сензори с оптични влакна се състои главно от лазер, предавателно влакно, сензорен елемент или модулационна област, детектор на светлина и други части. Параметрите, описващи характеристиките на светлинната вълна, включват интензитет, дължина на вълната, фаза, състояние на поляризация и др. Тези параметри могат да се променят от външни влияния при предаването на оптични влакна. Например, когато температура, деформация, налягане, ток, изместване, вибрации, въртене, огъване и химическо количество влияят на оптичния път, тези параметри се променят съответно. Сензорите с оптични влакна се основават на връзката между тези параметри и външни фактори за откриване на съответните физични величини.
Има много видовелазерен източникизползвани в оптични сензорни системи, които могат да бъдат разделени на две категории: кохерентнилазерни източниции некохерентни източници на светлина, некохерентниизточници на светлинавключват главно лампи с нажежаема жичка и светодиоди, а кохерентните източници на светлина включват лазери с твърдотелни частици, течни лазери, газови лазери,полупроводников лазерифибърен лазерСледното е главно залазерен източник на светлинаШироко използвани в областта на оптичните сензори през последните години: едночестотен лазер с тясна ширина на линията, лазер с едночестотна сканираща честота и бял лазер.
1.1 Изисквания за тясна ширина на линияталазерни източници на светлина
Системата за сензори с оптични влакна не може да бъде отделена от лазерния източник, тъй като измерваната светлинна вълна на носещия сигнал, самата производителност на лазерния източник на светлина, като стабилност на мощността, ширина на лазерната линия, фазов шум и други параметри върху разстоянието на откриване, точността на откриване, чувствителността и шумовите характеристики на системата за сензори с оптични влакна, играят решаваща роля. През последните години, с развитието на системи за сензори с ултрависока резолюция на дълги разстояния, академичните среди и индустрията поставиха по-строги изисквания за производителността на ширината на линията на лазерната миниатюризация, главно в: технологията за отражение в оптичната честотна област (OFDR) използва кохерентна технология за откриване, за да анализира сигналите, разсеяни по обратния лъч на оптичните влакна в честотната област, с широко покритие (хиляди метри). Предимствата на високата резолюция (милиметрова резолюция) и високата чувствителност (до -100 dBm) се превърнаха в едни от технологиите с широки перспективи за приложение в разпределените технологии за измерване и сензори с оптични влакна. Ядрото на OFDR технологията е използването на настройваем източник на светлина за постигане на оптична честотна настройка, така че производителността на лазерния източник определя ключови фактори като обхват на откриване, чувствителност и резолюция на OFDR. Когато разстоянието на точката на отражение е близко до дължината на кохерентност, интензитетът на сигнала на биенето ще бъде експоненциално отслабен с коефициента τ/τc. За Гаусов светлинен източник със спектрална форма, за да се гарантира, че честотата на биенето има видимост повече от 90%, връзката между ширината на линията на светлинния източник и максималната дължина на засичане, която системата може да постигне, е Lmax~0.04vg/f, което означава, че за влакно с дължина 80 km, ширината на линията на светлинния източник е по-малка от 100 Hz. Освен това, развитието на други приложения също поставя по-високи изисквания към ширината на линията на светлинния източник. Например, в системата с оптични хидрофони, ширината на линията на светлинния източник определя шума на системата, а също така определя минималния измерим сигнал на системата. В оптичния рефлектор с времева област на Брилюен (BOTDR), разделителната способност на измерване на температура и напрежение се определя главно от ширината на линията на светлинния източник. В резонаторен оптичен жироскоп, дължината на кохерентността на светлинната вълна може да се увеличи 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 осигурява точността на измерване на оптичния жироскоп.
1.2 Изисквания за лазерни източници с размах на лъчи
Едночестотният лазер с една дължина на вълната има гъвкава настройка на дължината на вълната, може да замени лазери с фиксирана дължина на вълната с множество изходи, намалява разходите за изграждане на системата и е неразделна част от оптичните сензорни системи. Например, при оптичните сензори за следи от газове, различните видове газове имат различни пикове на абсорбция. За да се гарантира ефективността на абсорбция на светлина, когато измерваният газ е достатъчен, и да се постигне по-висока чувствителност на измерване, е необходимо дължината на вълната на пропускащия светлинен източник да се синхронизира с пика на абсорбция на газовата молекула. Видът газ, който може да бъде открит, се определя основно от дължината на вълната на сензорния светлинен източник. Следователно, лазерите с тясна ширина на линията и стабилна широколентова настройка имат по-висока гъвкавост на измерване в такива сензорни системи. Например, в някои разпределени оптични сензорни системи, базирани на отражение в оптичната честотна област, лазерът трябва да бъде периодично бързо променян, за да се постигне високопрецизно кохерентно откриване и демодулация на оптичните сигнали, така че скоростта на модулация на лазерния източник има относително високи изисквания и скоростта на променяне на регулируемия лазер обикновено трябва да достигне 10 pm/μs. В допълнение, настройваемият по дължина на вълната лазер с тясна ширина на линията може да се използва широко и в liDAR, лазерно дистанционно наблюдение, спектрален анализ с висока резолюция и други области на наблюдение. За да се отговорят на изискванията за високи параметри на производителност за настройка на честотната лента, точност на настройка и скорост на настройка на лазери с една дължина на вълната в областта на оптичното наблюдение, общата цел на изучаването на настройваеми оптични лазери с тясна ширина през последните години е постигане на високопрецизна настройка в по-широк диапазон на дължините на вълната, базирайки се на стремеж към ултратясна лазерна ширина на линията, ултранисък фазов шум и ултрастабилна изходна честота и мощност.
1.3 Търсене на източник на бяла лазерна светлина
В областта на оптичното наблюдение, висококачественият лазер с бяла светлина е от голямо значение за подобряване на производителността на системата. Колкото по-широко е спектърното покритие на лазера с бяла светлина, толкова по-широко е неговото приложение в оптичните сензорни системи. Например, когато се използва фибростъклена решетка на Браг (FBG) за изграждане на сензорна мрежа, за демодулация може да се използва спектрален анализ или метод за съгласуване на настройваеми филтри. Първият използва спектрометър за директно тестване на всяка резонансна дължина на вълната на FBG в мрежата. Вторият 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 мрежа за достъп до FBG ще има определено затихване при вмъкване и има честотна лента 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 дългопериодична оптична решетка (LPFG) за наблюдение, тъй като честотната лента на един пик на загуба е от порядъка на 10 nm, е необходим широкоспектърен източник на светлина с достатъчна честотна лента и относително плосък спектър, за да се характеризират точно характеристиките на резонансния му пик. В частност, акустичната влакнеста решетка (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 решетки с такъв ултраширок диапазон на настройка представлява голямо предизвикателство за диапазона на честотната лента на широкоспектърен светлинен източник. По подобен начин, през последните години, наклонената влакнеста решетка на Браг също се използва широко в областта на оптичните сензори. Поради характеристиките си на спектър с множество пикове на загуба, диапазонът на разпределение на дължината на вълната обикновено може да достигне 40 nm. Механизмът ѝ на сензор обикновено е да сравнява относителното движение между множество пикове на предаване, така че е необходимо да се измери пълният ѝ спектър на предаване. Необходимо е честотната лента и мощността на широкоспектърния светлинен източник да бъдат по-високи.
2. Състояние на научните изследвания в страната и чужбина
2.1 Лазерен източник на светлина с тясна ширина на линията
2.1.1 Полупроводников лазер с разпределена обратна връзка и тясна ширина на линията
През 2006 г. Cliche et al. намалиха MHz скалата на полупроводницитеDFB лазер(лазер с разпределена обратна връзка) до kHz мащаб, използвайки метод на електрическа обратна връзка; През 2011 г. Кеслер и др. използваха нискотемпературна и високостабилна монокристална резонаторна кутия, комбинирана с активна обратна връзка, за да получат ултратясна лазерна мощност с ширина на линията от 40 MHz; През 2013 г. Пенг и др. получиха полупроводников лазер с ширина на линията от 15 kHz, използвайки метода за външно регулиране на обратната връзка на Фабри-Перо (FP). Методът на електрическа обратна връзка използваше главно обратната връзка за стабилизиране на честотата на Понд-Древер-Хол, за да намали ширината на лазерната линия на светлинния източник. През 2010 г. Бернхарди и др. произведоха 1 cm легирана с ербий алуминиева FBG върху силициев оксиден субстрат, за да получат лазерна мощност с ширина на линията около 1,7 kHz. През същата година Лян и др. използва обратната връзка от самоинжектиране на обратното разсейване на Рейли, образувана от резонатор с висок Q ехо стена за компресия на ширината на линията на полупроводниковия лазер, както е показано на Фигура 1, и накрая получи лазерен изход с тясна ширина на линията от 160 Hz.
Фиг. 1 (а) Диаграма на компресия на ширината на линията на полупроводников лазер, базирана на самоинжекционно разсейване на Рейли от външен резонатор в режим на шепнеща галерия;
(б) Честотен спектър на свободно работещия полупроводников лазер с ширина на линията 8 MHz;
(в) Честотен спектър на лазера с ширина на линията, компресирана до 160 Hz
2.1.2 Фибролазер с тясна ширина на линията
При линейни резонаторни влакнести лазери, тяснолинейният лазерен изход на единичен надлъжен мод се получава чрез скъсяване на дължината на резонатора и увеличаване на интервала между надлъжните модове. През 2004 г. Шпигелберг и др. получават тяснолинейен лазерен изход на единичен надлъжен мод с ширина на линията 2 kHz, използвайки метода на къса резонаторна структура с DBR. През 2007 г. Шен и др. използват 2 cm силно легирано с ербий силициево влакно, за да запишат FBG (флоу-базиран лъч) върху фоточувствително влакно, ко-легирано с Bi-Ge, и го сливат с активно влакно, за да образуват компактна линейна резонаторна структура, което прави ширината на лазерната му изходна линия по-малка от 1 kHz. През 2010 г. Янг и др. използват 2 cm силно легирана къса линейна резонаторна структура, комбинирана с теснолентов FBG филтър, за да получат лазерен изход на един надлъжен мод с ширина на линията по-малка от 2 kHz. През 2014 г. екипът използва къса линейна кухина (виртуален сгънат пръстеновиден резонатор), комбинирана 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. използваха структура с къса кухина с дължина 1,4 cm, за да получат 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. използваха разсейване на Брилюен на легирано с ербий влакно с къса пръстеновидна кухина на устройство с пълно запазване на отклонението, за да получат лазерен изход с един надлъжен режим и нисък фазов шум с изходна мощност 10 mW. През 2015 г. екипът използва пръстеновидна кухина, съставена от легирано с ербий влакно с дължина 45 cm, като среда за усилване на разсейването на Брилюен, за да получи лазерен изход с нисък праг и тясна ширина на линията.
Фиг. 2 (а) Схематичен чертеж на SLC фибро лазер;
(б) Форма на линията на хетеродинния сигнал, измерена с оптично закъснение от 97,6 км
Време на публикуване: 20 ноември 2023 г.