Tecnoloxía de fonte láser parafibra ópticadetendo a primeira parte
A tecnoloxía de detección de fibras ópticas é unha especie de tecnoloxía de detección desenvolvida xunto coa tecnoloxía de fibra óptica e a tecnoloxía de comunicación de fibras ópticas, e converteuse nunha das ramas máis activas da tecnoloxía fotoeléctrica. O sistema de detección de fibras ópticas está composto principalmente por láser, fibra de transmisión, elemento de detección 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 cambiarse por influencias externas na transmisión de fibras ópticas. 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 ruta óptica, estes parámetros cambian de forma correspondente. A detección de fibras ópticas baséase na relación entre estes parámetros e factores externos para detectar as cantidades físicas correspondentes.
Hai moitos tipos defonte láserusado en sistemas de detección de fibras ópticas, que se poden dividir en dúas categorías: coherenteFontes lásere fontes de luz incoherentes, incoherentesfontes de luzInclúen principalmente diodos incandescentes de luz e emisores de luz, e fontes de luz coherentes inclúen láseres sólidos, láseres líquidos, láseres de gas,Láser semiconductoreLáser de fibra. O seguinte é principalmente para ofonte de luz láserAmplamente usado no campo da detección de fibras nos últimos anos: láser de frecuencia de ancho de liña estreita, láser de frecuencia de barrido de lonxitude única e láser branco.
1.1 Requisitos para o ancho de liña estreitofontes de luz láser
O sistema de detección de fibras ópticas non se pode separar da fonte do láser, xa que a onda de luz do portador de sinal medida, o propio rendemento da fonte de luz láser, como a estabilidade de potencia, o ancho de liña láser, o ruído de fase e outros parámetros do sistema de detección de detección do sistema de fibra óptica, precisión de detección, sensibilidade e características de ruído desempeñan un papel decisivo. Nos últimos anos, co desenvolvemento de sistemas de detección de fibras ópticas de ultra-alta resolución de longa distancia, a academia e a industria presentaron requisitos máis rigorosos para o rendemento de ancho de liña da miniaturización láser, principalmente en: Reflexión de dominio de frecuencia óptica (OFDR) usa a tecnoloxía de detección coherente para analizar a cobertura de backrayleigh signals de fibios ópticos na frecuencia, cunha gran cobertura. As vantaxes da alta resolución (resolución a nivel de milímetro) e a alta sensibilidade (ata -100 dBm) convertéronse nunha das tecnoloxías con amplas perspectivas de aplicacións na tecnoloxía de medición e detección de fibras ópticas distribuídas. O núcleo da tecnoloxía OFDR é empregar fonte de luz axustable para lograr a afinación de frecuencias ópticas, 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 estea preto da lonxitude de coherencia, a intensidade do sinal de ritmo estará atenuada exponencialmente polo coeficiente τ/τc. Para unha fonte de luz gaussiana cunha forma espectral, para asegurarse de que a frecuencia de ritmo teña máis do 90% de visibilidade, a relación entre o ancho da liña da fonte de luz e a lonxitude máxima de detección que o sistema pode conseguir é Lmax ~ 0,04Vg/F, o que significa que para unha fibra cunha lonxitude de 80 km, a ancho da liña da fonte de luz é menos de 100 Hz. Ademais, o desenvolvemento doutras aplicacións tamén presentou requisitos máis altos 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 de dominio óptico de Brillouin (BOTDR), a resolución de medición da temperatura e do estrés está determinada principalmente polo ancho de liña da fonte de luz. Nun xiro de fibra óptica de resonador, pódese aumentar a lonxitude de coherencia da onda de luz reducindo o ancho da liña da fonte de luz, mellorando así a finura e a resonancia do resonador, reducindo o ancho da liña do resonador e asegurando a precisión da medición da gyro de fibra óptica.
1.2 Requisitos para fontes láser de barrido
O láser de barrido de lonxitude de onda única ten un rendemento de axuste de lonxitude de onda flexible, pode substituír os láseres de lonxitude de onda fixos de saída múltiple, reducir o custo da construción do sistema, é unha parte indispensable do sistema de detección de fibras ópticas. Por exemplo, na detección de fibras de gas de rastrexo, diferentes tipos de gases teñen diferentes picos de absorción de gas. Para garantir a eficiencia de absorción de luz cando o gas de medición é suficiente e conseguir unha maior sensibilidade á 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 é esencialmente determinado pola lonxitude de onda da fonte de luz sensible. Polo tanto, os láseres de ancho de liña estreitos con rendemento de axuste de banda ancha estable teñen maior flexibilidade de medición en tales sistemas de detección. Por exemplo, nalgúns sistemas de detección de fibras ópticas distribuídas baseadas na reflexión do dominio de frecuencia óptica, o láser debe ser rapidamente arrasado periódicamente para conseguir unha detección coherente de alta precisión e demodulación de sinais ópticos, polo que a taxa de modulación da fonte láser ten requisitos relativamente altos e a velocidade de barrido do laser axustable é normalmente necesaria para o alcance de 10 pm/μs. Ademais, o láser de ancho de liña estreito axustable de lonxitude de onda tamén se pode utilizar en lidar, teledetección láser e análise espectral de alta resolución e outros campos de detección. Para cumprir os requisitos de parámetros de alto rendemento de afinar o ancho de banda, a precisión da afinación e a velocidade de afinación dos láseres de lonxitude de onda no campo da detección de fibras, o obxectivo global de estudar láser de fibra de ancho estreito sintonable nos últimos anos é lograr a alta sintonía de lonxitude de lonxitude, ultravista de lonxitude de lonxitude, ultravista, ultravista, ultravista, ultravista, ultravista, ultravista, ultravista, ultravista. Frecuencia e potencia de saída ultraestable.
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 sexa a cobertura do espectro do láser de luz branca, máis extensa é a súa aplicación no sistema de detección de fibras ópticas. Por exemplo, cando se usa para a demodulación podería usarse unha rede de sensores, análise espectral ou método de correspondencia de filtros axustables. 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, 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 superior a 0,1 nm, a demodulación simultánea de múltiple FBG require unha fonte de luz de banda ancha con alta potencia e alto ancho de banda. Por exemplo, cando se usa unha reixa de fibra de longo período (LPFG) para a detección, xa que o ancho de banda dun pico único de perda está da orde de 10 nm, é necesario unha fonte de luz de amplo espectro con ancho de banda suficiente e un espectro relativamente plano para caracterizar con precisión as súas características de pico resonante. En particular, a reixa de fibra acústica (AIFG) construída mediante o uso acousto-óptico pode conseguir un rango de afinación de lonxitude de onda resonante ata 1000 nm mediante afinación eléctrica. Polo tanto, as probas de reixa dinámicas cun rango de afinación tan ultra-ancho supón un gran reto para a gama de ancho de banda dunha fonte de luz de amplo espectro. Do mesmo xeito, nos últimos anos, a reixa de fibra Bragg inclinada tamén foi moi utilizada no campo da detección de fibras. Debido ás súas características de espectro de perdas multi-pico, o rango de distribución de lonxitude de onda normalmente pode alcanzar os 40 nm. O seu mecanismo de detección normalmente é 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 son necesarios para ser maiores.
2. Estado de investigación na casa e no estranxeiro
2.1 Fonte de luz láser de ancho de liña estreita
2.1.1 Láser de retroalimentación distribuída de semiconductor de ancho de liña estreito
En 2006, Cliche et al. reduciu a escala MHz de semiconductorLáser DFB(láser de retroalimentación distribuída) a escala KHZ mediante método de retroalimentación eléctrica; En 2011, Kessler et al. Usou baixa temperatura e alta estabilidade cavidade de cristal único combinada con control de retroalimentación activa para obter unha saída láser de ancho de liña de ultra-narro de 40 MHz; En 2013, Peng et al obtiveron unha saída láser semiconductor cun ancho de liña de 15 kHz mediante o método de axuste de retroalimentación Fabry-Perot (FP) externo. O método de retroalimentación eléctrica utilizou principalmente a retroalimentación de estabilización de frecuencias do parallo do estanque para facer que se reduza o ancho de liña láser da fonte de luz. En 2010, Bernhardi et al. produciu 1 cm de alúmina dopada por erbio FBG nun 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. Utilizou a retroalimentación de autoinxección da dispersión de Rayleigh Backward formada por un resonador de parede de alto eco de Echo para a compresión de ancho de liña láser semiconductor, como se mostra na figura 1, e finalmente obtivo unha estreita saída de láser de ancho de liña de 160 Hz.
Fig. 1 (a) Diagrama de compresión de ancho de liña láser semiconductor baseada na autoinxección Rayleigh Scattering do resonador de modo de galería de murmurios externos;
(b) Espectro de frecuencia do láser semiconductor de carreira libre con ancho de liña de 8 MHz;
(c) Espectro de frecuencia do láser con ancho de liña comprimido a 160 Hz
2.1.2 Láser de fibra de ancho de liña estreito
Para láseres de fibra de cavidade lineal, a saída láser de ancho de liña estreita do modo lonxitudinal único obtense reducindo a lonxitude do resonador e aumentando o intervalo de modo lonxitudinal. En 2004, Spiegelberg et al. Obtivo unha única saída de láser de ancho de liña estreita de modo lonxitudinal cun ancho de liña de 2 kHz mediante o método de cavidade curta DBR. En 2007, Shen et al. Usou unha fibra de silicio moi dopada por Erbium para escribir FBG nunha fibra fotosensible bi-ge co-dopada e fusionouna cunha fibra activa para formar unha cavidade lineal compacta, facendo que o seu ancho de liña de saída láser inferior a 1 kHz. En 2010, Yang et al. Usou unha cavidade lineal curta de 2 cm moi 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 curta cavidade lineal (resonador de anel dobrado virtual) combinado cun filtro FBG-FP para obter unha saída láser cun ancho de liña máis estreita, como se mostra na figura 3. En 2012, Cai et al. Usou unha estrutura de cavidade curta de 1,4 cm para obter unha saída láser polarizadora 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. A dispersión de Brillouin usada de fibra dopada por erbio cunha cavidade de anel curto dun dispositivo de conservación de sesgo completo para obter un modo único longo, saída de láser de ruído de baixa fase cunha potencia de saída de 10 MW. En 2015, o equipo usou unha cavidade de anel composta por fibra dopada por Erbium de 45 cm como medio de ganancia de dispersión de Brillouin para obter un limiar baixo e unha estreita saída de láser de ancho de liña.
Fig. 2 (a) Debuxo esquemático do láser de fibra SLC;
(b) Liña do sinal de heterodeo medido con atraso de fibra de 97,6 km
Tempo de publicación: novembro-20-2023