Tecnoloxía de fonte láser parafibra ópticadetectando a primeira parte
A tecnoloxía de detección de fibra óptica é un tipo de tecnoloxía de detección desenvolvida xunto coa tecnoloxía de fibra óptica e a tecnoloxía de comunicación de fibra óptica, e converteuse nunha das ramas máis activas da tecnoloxía fotoeléctrica. O sistema de detección de 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 luminosa inclúen intensidade, lonxitude de onda, fase, estado de polarización, etc. Estes parámetros poden verse modificados por influencias externas na transmisión da 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 o camiño óptico, estes parámetros cambian de forma correspondente. A detección de fibra óptica baséase na relación entre estes parámetros e factores externos para detectar as magnitudes físicas correspondentes.
Hai moitos tipos defonte láserusado 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 coherentes inclúen láseres sólidos, láseres líquidos, láseres de gas,láser de semicondutoreseláser de fibra. O seguinte é principalmente parafonte de luz láserAmplamente utilizado no campo da detección de fibra nos últimos anos: láser de frecuencia única de ancho de liña estreita, láser de frecuencia de varrido de lonxitude de onda única e láser branco.
1.1 Requisitos para un ancho de liña estreitofontes de luz láser
O sistema de detección de fibra óptica non se pode separar da fonte de láser, xa que a onda de luz portadora de sinal medida, o rendemento da propia fonte de luz láser, como a estabilidade de enerxía, 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 detección. as características de precisión, sensibilidade e ruído xogan un papel decisivo. Nos últimos anos, co desenvolvemento de sistemas de detección de fibra óptica de ultra-alta resolución a longa distancia, a academia e a industria presentaron requisitos máis estritos para o rendemento do ancho de liña da miniaturización con láser, principalmente en: a tecnoloxía de reflexión do dominio de frecuencia óptica (OFDR) utiliza coherentes tecnoloxía de detección para analizar os sinais dispersos backrayleigh de fibras ópticas no dominio da frecuencia, cunha ampla cobertura (miles de metros). As vantaxes da alta resolución (resolución a nivel milimétrico) e da 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 utilizar unha fonte de luz sintonizable para lograr a sintonización 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 é próxima á lonxitude da coherencia, a intensidade do sinal de batida atenuarase exponencialmente polo coeficiente τ/τc. Para unha fonte de luz gaussiana cunha forma espectral, para garantir que a frecuencia de batida teña unha visibilidade superior ao 90%, a relación entre o ancho da liña da fonte de luz e a lonxitude máxima de detección que pode acadar o sistema é Lmax ~ 0,04vg. /f, o que significa que para unha fibra cunha lonxitude de 80 km, o ancho da liña da fonte de luz é inferior a 100 Hz. Ademais, o desenvolvemento doutras aplicacións tamén supuxo requisitos máis elevados para o ancho de liña da fonte de luz. Por exemplo, no sistema de hidrófono 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 de dominio do tempo óptico de Brillouin (BOTDR), a resolución da medición de temperatura e tensión está determinada principalmente polo ancho de liña da fonte de luz. Nun xiroscopio de fibra óptica de resonador, a lonxitude de coherencia da onda luminosa pódese aumentar reducindo o ancho da liña da fonte de luz, mellorando así a finura e profundidade de resonancia do resonador, reducindo o ancho de liña do resonador e garantindo a medición. precisión do xiroscopio de fibra óptica.
1.2 Requisitos para fontes láser de varrido
O láser de varrido de lonxitude de onda única ten un rendemento de sintonía de lonxitude de onda flexible, pode substituír láseres de lonxitude de onda fixa de múltiples saídas, reducir o custo da construción do sistema, é unha parte indispensable do sistema de detección de fibra óptica. Por exemplo, na detección de fibras 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 conseguir 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 determinado esencialmente pola lonxitude de onda da fonte de luz sensora. Polo tanto, os láseres de ancho de liña estreito con rendemento de sintonización de banda ancha estable teñen unha maior flexibilidade de medición nestes sistemas de detección. Por exemplo, nalgúns sistemas de detección de fibras ópticas distribuídas baseados na reflexión do dominio de frecuencia óptica, o láser debe ser varrido rapidamente e periódicamente para conseguir unha detección coherente de alta precisión e demodulación 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 ser necesaria para acadar 10 pm/μs. Ademais, o láser de lonxitude de onda estreita axustable tamén se pode usar amplamente en liDAR, teledetección láser e análise espectral de alta resolución e outros campos de detección. Co fin de satisfacer os 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 de estudar láseres de fibra de ancho estreito sintonizables nos últimos anos é lograr axuste de precisión nun intervalo de lonxitudes de onda máis amplo sobre a base de buscar un ancho de liña láser ultra estreito, un ruído de fase ultra baixo e unha frecuencia e potencia de saída ultra estables.
1.3 Demanda de fonte de luz láser branca
No campo da detección óptica, o láser de luz branca de alta calidade é de gran importancia para mellorar o rendemento do sistema. Canto máis ampla é a cobertura do espectro do láser de luz branca, máis ampla é a súa aplicación no sistema de detección de fibra óptica. Por exemplo, cando se usa a reixa de Bragg de fibra (FBG) para construír unha rede de sensores, pódese usar a análise espectral ou o método de adaptación de filtros sintonizables para a demodulación. O primeiro usou un espectrómetro para probar directamente cada lonxitude de onda resonante FBG na rede. Este último usa un filtro de referencia para rastrexar e calibrar o FBG na detección, que 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 superior a 0,1 nm, a demodulación simultánea de múltiples FBG require unha fonte de luz de banda ancha con gran potencia e alto ancho de banda. Por exemplo, cando se usa a reixa de fibra de longo período (LPFG) para a detección, xa que o ancho de banda dun único pico de perda é da orde de 10 nm, é necesaria unha fonte de luz de amplo espectro con ancho de banda suficiente e espectro relativamente plano para caracterizar con precisión a súa resonancia. características de pico. En particular, a reixa de fibra acústica (AIFG) construída mediante a utilización do efecto acústico-óptico pode acadar un rango de sintonía de lonxitude de onda resonante de ata 1000 nm mediante a sintonía eléctrica. Polo tanto, as probas de reixa dinámica cun rango de sintonización tan amplo supón un gran desafío para o rango de ancho de banda dunha fonte de luz de amplo espectro. Do mesmo xeito, nos últimos anos, a reixa de fibra de Bragg inclinada tamén foi moi utilizada no campo da detección de fibras. Debido ás súas características de espectro de perda de múltiples picos, o rango de distribución de lonxitudes de onda normalmente pode alcanzar os 40 nm. O seu mecanismo de detección adoita ser comparar o movemento relativo entre múltiples picos de transmisión, polo que é necesario medir completamente o seu espectro de transmisión. O ancho de banda e a potencia da fonte de luz de amplo espectro deben ser maiores.
2. Estado de investigación no país e no estranxeiro
2.1 Fonte de luz láser de ancho de liña estreita
2.1.1 Láser de retroalimentación distribuída de semicondutores de ancho de liña estreito
En 2006, Cliche et al. reduciu a escala de MHz de semicondutoresLáser DFB(láser de realimentación distribuída) a escala kHz mediante o método de realimentación eléctrica; En 2011, Kessler et al. usou unha cavidade de cristal único de baixa temperatura e alta estabilidade combinada con control de retroalimentación activo para obter unha saída de láser de ancho de liña ultra estreito de 40 MHz; En 2013, Peng et al obtiveron unha saída láser de semicondutores cunha anchura de liña de 15 kHz mediante o método de axuste de realimentación externo de Fabry-Perot (FP). O método de retroalimentación eléctrica utilizou principalmente o feedback de estabilización de frecuencia de Pond-Drever-Hall para reducir o ancho de liña láser da fonte de luz. En 2010, Bernhardi et al. produciu 1 cm de FBG de alúmina dopada con erbio sobre un substrato de óxido de silicio para obter unha saída láser cunha anchura de liña duns 1,7 kHz. No mesmo ano, Liang et al. utilizou a retroalimentación de autoinxección da dispersión Rayleigh cara atrás formada por un resonador de parede de eco de alta Q para a compresión de ancho de liña láser de semicondutores, como se mostra na Figura 1, e finalmente obtivo unha saída de láser de ancho de liña estreita de 160 Hz.
Fig. 1 (a) Diagrama de compresión de ancho de liña láser de semicondutores baseado na dispersión Rayleigh de autoinxección do resonador en modo galería de susurro externo;
(b) Espectro de frecuencias do láser de semicondutores de marcha libre cun ancho de liña de 8 MHz;
(c) Espectro de frecuencias do láser cun ancho de liña comprimido a 160 Hz
2.1.2 Láser de fibra de ancho de liña estreita
Para os láseres de fibra de cavidade lineal, a saída de láser de ancho de liña estreita do modo lonxitudinal único obtense acurtando a lonxitude do resonador e aumentando o intervalo do modo lonxitudinal. En 2004, Spiegelberg et al. obtivo unha saída láser de ancho de liña estreita en modo lonxitudinal único cun ancho de liña de 2 kHz mediante o método de cavidade curta DBR. En 2007, Shen et al. utilizou unha fibra de silicio dopada con erbio de 2 cm para escribir FBG nunha fibra fotosensible co-dopada Bi-Ge, e funduna cunha fibra activa para formar unha cavidade lineal compacta, facendo que o seu ancho de liña de saída láser sexa inferior a 1 kHz. En 2010, Yang et al. utilizou unha cavidade lineal curta de 2 cm altamente dopada combinada cun filtro FBG de banda estreita para obter unha única saída láser de modo lonxitudinal cun ancho de liña inferior a 2 kHz. En 2014, o equipo utilizou unha cavidade lineal curta (resonador de anel dobrado 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. utilizou unha estrutura de cavidade curta de 1,4 cm para obter unha saída de láser polarizador 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. utilizou a dispersión Brillouin de fibra dopada con erbio cunha cavidade de anel curto dun dispositivo de preservación de polarización total para obter unha saída láser de ruído de baixa fase en modo lonxitudinal cunha potencia de saída de 10 mW. En 2015, o equipo utilizou unha cavidade de anel composta por fibra dopada con erbio de 45 cm como medio de ganancia de dispersión de Brillouin para obter un limiar baixo e unha saída de láser de liña estreita.
Figura 2 (a) Debuxo esquemático do láser de fibra SLC;
(b) Forma de liña do sinal heterodino medida cun atraso de fibra de 97,6 km
Hora de publicación: 20-nov-2023