Tecnoloxía de fonte láser parafibra ópticasensores Parte un
A tecnoloxía de detección por fibra óptica é un tipo de tecnoloxía de detección desenvolvida xunto coa tecnoloxía de fibra óptica e a tecnoloxía de comunicación por fibra óptica, e converteuse nunha das ramas máis activas da tecnoloxía fotoeléctrica. O sistema de detección por fibra óptica está composto principalmente por láser, fibra de transmisión, elemento sensor ou área de modulación, detección de luz e outras partes. Os parámetros que describen as características da onda de luz inclúen intensidade, lonxitude de onda, fase, estado de polarización, etc. Estes parámetros poden cambiar por influencias externas na transmisión por fibra óptica. Por exemplo, cando a temperatura, a tensión, a presión, a corrente, o desprazamento, a vibración, a rotación, a flexión e a cantidade química afectan á traxectoria óptica, estes parámetros cambian en consecuencia. A detección por fibra óptica baséase na relación entre estes parámetros e factores externos para detectar as cantidades físicas correspondentes.
Hai moitos tipos defonte láserutilizados en sistemas de detección de fibra óptica, que se poden dividir en dúas categorías: coherentesfontes lásere fontes de luz incoherentes, incoherentesfontes de luzinclúen principalmente luz incandescente e díodos emisores de luz, e as fontes de luz coherente inclúen láseres sólidos, láseres líquidos, láseres de gas,láser semicondutoreláser de fibraO seguinte é principalmente para o/afonte de luz láseramplamente utilizados no campo da detección de fibra nos últimos anos: láser de frecuencia única de ancho de liña estreito, láser de frecuencia de varrido de lonxitude de onda única e láser branco.
1.1 Requisitos para anchos de liña estreitosfontes de luz láser
O sistema de detección de fibra óptica non se pode separar da fonte láser, xa que a onda de luz portadora do sinal medida, o rendemento da propia fonte de luz láser, como a estabilidade de potencia, o ancho de liña do láser, o ruído de fase e outros parámetros na distancia de detección do sistema de detección de fibra óptica, a precisión de detección, a sensibilidade e as características do ruído xogan un papel decisivo. Nos últimos anos, co desenvolvemento de sistemas de detección de fibra óptica de ultra alta resolución a longa distancia, o mundo académico e a industria propuxeron requisitos máis estritos para o rendemento do ancho de liña da miniaturización láser, principalmente en: a tecnoloxía de reflexión no dominio da frecuencia óptica (OFDR) utiliza tecnoloxía de detección coherente para analizar os sinais dispersos por retroceso de raios de luz das fibras ópticas no dominio da frecuencia, cunha ampla cobertura (miles de metros). As vantaxes da alta resolución (resolución a nivel de milímetros) e a alta sensibilidade (ata -100 dBm) convertéronse nunha das tecnoloxías con amplas perspectivas de aplicación na tecnoloxía de medición e detección de fibra óptica distribuída. O núcleo da tecnoloxía OFDR é usar unha fonte de luz sintonizable para lograr o axuste da frecuencia óptica, polo que o rendemento da fonte láser determina os factores clave como o rango de detección OFDR, a sensibilidade e a resolución. Cando a distancia do punto de reflexión está preto da lonxitude de coherencia, a intensidade do sinal de batido atenuarase exponencialmente polo coeficiente τ/τc. Para unha fonte de luz gaussiana cunha forma espectral, para garantir que a frecuencia de batido teña unha visibilidade superior ao 90 %, a relación entre o ancho de liña da fonte de luz e a lonxitude máxima de detección que o sistema pode alcanzar é de Lmax ~ 0,04 vg/f, o que significa que para unha fibra cunha lonxitude de 80 km, o ancho de liña da fonte de luz é inferior a 100 Hz. Ademais, o desenvolvemento doutras aplicacións tamén propuxo requisitos máis elevados para o ancho de liña da fonte de luz. Por exemplo, no sistema de hidrófonos de fibra óptica, o ancho de liña da fonte de luz determina o ruído do sistema e tamén determina o sinal mínimo medible do sistema. No reflector óptico de dominio do tempo Brillouin (BOTDR), a resolución de medición da temperatura e a tensión está determinada principalmente polo ancho de liña da fonte de luz. Nun xiroscopio de fibra óptica resonador, a lonxitude de coherencia da onda de luz pódese aumentar reducindo o ancho da liña da fonte de luz, mellorando así a finura e a profundidade de resonancia do resonador, reducindo o ancho da liña do resonador e garantindo a precisión da medición do xiroscopio de fibra óptica.
1.2 Requisitos para as fontes láser de varrido
O láser de varrido de lonxitude de onda única ten un rendemento de axuste de lonxitude de onda flexible, pode substituír varios láseres de lonxitude de onda fixa de saída, reduce o custo da construción do sistema e é unha parte indispensable do sistema de detección de fibra óptica. Por exemplo, na detección de fibra de gas traza, os diferentes tipos de gases teñen diferentes picos de absorción de gas. Para garantir a eficiencia de absorción da luz cando o gas de medición é suficiente e lograr unha maior sensibilidade de medición, é necesario aliñar a lonxitude de onda da fonte de luz de transmisión co pico de absorción da molécula de gas. O tipo de gas que se pode detectar está esencialmente determinado pola lonxitude de onda da fonte de luz de detección. Polo tanto, os láseres de ancho de liña estreito con rendemento de axuste de banda ancha estable teñen unha maior flexibilidade de medición nestes sistemas de detección. Por exemplo, nalgúns sistemas de detección de fibra óptica distribuídos baseados na reflexión do dominio da frecuencia óptica, o láser necesita ser varrido rapidamente e periodicamente para lograr unha detección e desmodulación coherente de alta precisión dos sinais ópticos, polo que a taxa de modulación da fonte láser ten requisitos relativamente altos e a velocidade de varrido do láser axustable adoita requirirse para alcanzar 10 pm/μs. Ademais, o láser de ancho de liña estreito sintonizable por lonxitude de onda tamén se pode usar amplamente en liDAR, teledetección láser e análise espectral de alta resolución e outros campos de detección. Para cumprir cos requisitos de parámetros de alto rendemento de ancho de banda de sintonización, precisión de sintonización e velocidade de sintonización de láseres de lonxitude de onda única no campo da detección de fibra, o obxectivo xeral do estudo de láseres de fibra de ancho estreito sintonizables nos últimos anos é lograr un axuste de alta precisión nun rango de lonxitudes de onda máis amplo baseándose na busca dun ancho de liña láser ultraestreito, un ruído de fase ultrabaixo e unha frecuencia e potencia de saída ultraestables.
1.3 Demanda dunha fonte de luz láser branca
No campo da detección óptica, o láser de luz branca de alta calidade é de grande importancia para mellorar o rendemento do sistema. Canto máis ampla sexa a cobertura espectral do láser de luz branca, maior será a súa aplicación no sistema de detección de fibra óptica. Por exemplo, ao usar a rede de Bragg de fibra (FBG) para construír unha rede de sensores, poderíase usar a análise espectral ou o método de correspondencia de filtros sintonizables para a desmodulación. O primeiro usou un espectrómetro para probar directamente cada lonxitude de onda resonante do FBG na rede. O segundo usa un filtro de referencia para rastrexar e calibrar o FBG na detección, e ambos requiren unha fonte de luz de banda ancha como fonte de luz de proba para o FBG. Debido a que cada rede de acceso FBG terá unha certa perda de inserción e ten un ancho de banda de máis de 0,1 nm, a desmodulación simultánea de varios FBG require unha fonte de luz de banda ancha con alta potencia e alto ancho de banda. Por exemplo, ao usar unha rede de fibra de longo período (LPFG) para a detección, dado que o ancho de banda dun único pico de perda é da orde de 10 nm, requírese unha fonte de luz de espectro amplo con ancho de banda suficiente e espectro relativamente plano para caracterizar con precisión as súas características de pico resonante. En particular, a rede de fibra acústica (AIFG) construída utilizando o efecto acustoóptico pode lograr un rango de sintonización de lonxitude de onda resonante de ata 1000 nm mediante sintonización eléctrica. Polo tanto, as probas de rede dinámica cun rango de sintonización tan ultraamplio supoñen un gran desafío para o rango de ancho de banda dunha fonte de luz de espectro amplo. Do mesmo xeito, nos últimos anos, a rede de fibra de Bragg inclinada tamén se utilizou amplamente no campo da detección de fibra. Debido ás súas características de espectro de perda de múltiples picos, o rango de distribución de lonxitude de onda normalmente pode alcanzar os 40 nm. O seu mecanismo de detección adoita ser comparar o movemento relativo entre varios picos de transmisión, polo que é necesario medir completamente o seu espectro de transmisión. É necesario que o ancho de banda e a potencia da fonte de luz de espectro amplo sexan maiores.
2. Estado da investigación no país e no estranxeiro
2.1 Fonte de luz láser de ancho de liña estreito
2.1.1 Láser de retroalimentación distribuída de semicondutores de ancho de liña estreito
En 2006, Cliche et al. reduciron a escala de MHz dos semicondutoresláser DFB(láser de retroalimentación distribuída) a escala de kHz usando o método de retroalimentación eléctrica; En 2011, Kessler et al. usaron unha cavidade de monocristal de baixa temperatura e alta estabilidade combinada con control de retroalimentación activa para obter unha saída láser de ancho de liña ultraestreito de 40 MHz; En 2013, Peng et al. obtiveron unha saída láser de semicondutores cun ancho de liña de 15 kHz usando o método de axuste de retroalimentación Fabry-Perot (FP) externo. O método de retroalimentación eléctrica usou principalmente a retroalimentación de estabilización de frecuencia Pond-Drever-Hall para reducir o ancho de liña do láser da fonte de luz. En 2010, Bernhardi et al. produciron 1 cm de FBG de alúmina dopada con erbio sobre un substrato de óxido de silicio para obter unha saída láser cun ancho de liña de aproximadamente 1,7 kHz. No mesmo ano, Liang et al. empregou a retroalimentación de autoinxección da dispersión de Rayleigh cara atrás formada por un resonador de parede de eco de alta Q para a compresión do ancho de liña de láser semicondutor, como se mostra na Figura 1, e finalmente obtivo unha saída láser de ancho de liña estreito de 160 Hz.
Fig. 1 (a) Diagrama da compresión do ancho de liña dun láser semicondutor baseado na dispersión de Rayleigh por autoinxección dun resonador de modo galería de susurros externo;
(b) Espectro de frecuencias do láser semicondutor de funcionamento libre cunha anchura de liña de 8 MHz;
(c) Espectro de frecuencias do láser coa anchura de liña comprimida a 160 Hz
2.1.2 Láser de fibra de ancho de liña estreito
Para os láseres de fibra de cavidade lineal, a saída láser de ancho de liña estreito dun só modo lonxitudinal obtense acurtando a lonxitude do resonador e aumentando o intervalo do modo lonxitudinal. En 2004, Spiegelberg et al. obtiveron unha saída láser de ancho de liña estreito de modo lonxitudinal único cun ancho de liña de 2 kHz utilizando o método de cavidade curta DBR. En 2007, Shen et al. utilizaron unha fibra de silicio fortemente dopada con erbio de 2 cm para escribir FBG nunha fibra fotosensible codopada con Bi-Ge e fusionárona cunha fibra activa para formar unha cavidade lineal compacta, facendo que o seu ancho de liña de saída láser fose inferior a 1 kHz. En 2010, Yang et al. utilizaron unha cavidade lineal curta altamente dopada de 2 cm combinada cun filtro FBG de banda estreita para obter unha saída láser de modo lonxitudinal único cun ancho de liña inferior a 2 kHz. En 2014, o equipo empregou unha cavidade lineal curta (resonador de anel pregado virtual) combinada cun filtro FBG-FP para obter unha saída láser cun ancho de liña máis estreito, como se mostra na Figura 3. En 2012, Cai et al. empregaron unha estrutura de cavidade curta de 1,4 cm para obter unha saída láser polarizante cunha potencia de saída superior a 114 mW, unha lonxitude de onda central de 1540,3 nm e un ancho de liña de 4,1 kHz. En 2013, Meng et al. empregaron a dispersión Brillouin dunha fibra dopada con erbio cunha cavidade de anel curta dun dispositivo de preservación de polarización total para obter unha saída láser de modo lonxitudinal único e ruído de fase baixa cunha potencia de saída de 10 mW. En 2015, o equipo empregou unha cavidade de anel composta por fibra dopada con erbio de 45 cm como medio de ganancia de dispersión Brillouin para obter un limiar baixo e un ancho de liña estreito.
Fig. 2 (a) Debuxo esquemático do láser de fibra SLC;
(b) Forma de liña do sinal heterodino medida cun retardo de fibra de 97,6 km
Data de publicación: 20 de novembro de 2023