Tecnologia de font làser per afibra òpticadetecció Primera part
La tecnologia de detecció de fibra òptica és un tipus de tecnologia de detecció desenvolupada juntament amb la tecnologia de fibra òptica i la tecnologia de comunicació per fibra òptica, i s'ha convertit en una de les branques més actives de la tecnologia fotoelèctrica. El sistema de detecció de fibra òptica es compon principalment de làser, fibra de transmissió, element sensor o àrea de modulació, detecció de llum i altres parts. Els paràmetres que descriuen les característiques de l'ona de llum inclouen la intensitat, la longitud d'ona, la fase, l'estat de polarització, etc. Aquests paràmetres poden ser modificats per influències externes en la transmissió de fibra òptica. Per exemple, quan la temperatura, la tensió, la pressió, el corrent, el desplaçament, la vibració, la rotació, la flexió i la quantitat química afecten la trajectòria òptica, aquests paràmetres canvien en conseqüència. La detecció de fibra òptica es basa en la relació entre aquests paràmetres i factors externs per detectar les quantitats físiques corresponents.
Hi ha molts tipus defont làserutilitzat en sistemes de detecció de fibra òptica, que es poden dividir en dues categories: coherentsfonts làseri fonts de llum incoherents, incoherentsfonts de lluminclouen principalment llum incandescent i díodes emissors de llum, i les fonts de llum coherents inclouen làsers sòlids, làsers líquids, làsers de gas,làser semiconductorilàser de fibraEl següent és principalment per afont de llum làseràmpliament utilitzat en el camp de la detecció de fibra en els darrers anys: làser de freqüència única d'amplada de línia estreta, làser de freqüència d'escombrat de longitud d'ona única i làser blanc.
1.1 Requisits per a l'amplada de línia estretafonts de llum làser
El sistema de detecció de fibra òptica no es pot separar de la font làser, ja que l'ona de llum portadora del senyal mesurada, el rendiment de la font de llum làser en si, com ara l'estabilitat de potència, l'amplada de línia del làser, el soroll de fase i altres paràmetres sobre la distància de detecció del sistema de detecció de fibra òptica, la precisió de detecció, la sensibilitat i les característiques del soroll tenen un paper decisiu. En els darrers anys, amb el desenvolupament de sistemes de detecció de fibra òptica d'ultraalta resolució de llarga distància, el món acadèmic i la indústria han proposat requisits més estrictes per al rendiment de l'amplada de línia de la miniaturització làser, principalment en: la tecnologia de reflexió en el domini de freqüència òptica (OFDR) utilitza tecnologia de detecció coherent per analitzar els senyals dispersos per backrayleigh de les fibres òptiques en el domini de freqüència, amb una àmplia cobertura (milers de metres). Els avantatges de l'alta resolució (resolució a nivell mil·limètric) i l'alta sensibilitat (fins a -100 dBm) s'han convertit en una de les tecnologies amb àmplies perspectives d'aplicació en la tecnologia de mesura i detecció de fibra òptica distribuïda. El nucli de la tecnologia OFDR és utilitzar una font de llum sintonitzable per aconseguir l'afinació de la freqüència òptica, de manera que el rendiment de la font làser determina els factors clau com ara el rang de detecció OFDR, la sensibilitat i la resolució. Quan la distància del punt de reflexió és propera a la longitud de coherència, la intensitat del senyal de batec s'atenuarà exponencialment pel coeficient τ/τc. Per a una font de llum gaussiana amb una forma espectral, per tal de garantir que la freqüència de batec tingui una visibilitat superior al 90%, la relació entre l'amplada de línia de la font de llum i la longitud màxima de detecció que el sistema pot assolir és de Lmax~0.04vg/f, cosa que significa que per a una fibra amb una longitud de 80 km, l'amplada de línia de la font de llum és inferior a 100 Hz. A més, el desenvolupament d'altres aplicacions també planteja requisits més alts per a l'amplada de línia de la font de llum. Per exemple, en el sistema d'hidròfons de fibra òptica, l'amplada de línia de la font de llum determina el soroll del sistema i també determina el senyal mínim mesurable del sistema. En el reflector de domini temporal òptic Brillouin (BOTDR), la resolució de mesura de la temperatura i la tensió està determinada principalment per l'amplada de línia de la font de llum. En un giroscopi de fibra òptica ressonador, la longitud de coherència de l'ona de llum es pot augmentar reduint l'amplada de línia de la font de llum, millorant així la finesa i la profunditat de ressonància del ressonador, reduint l'amplada de línia del ressonador i garantint la precisió de la mesura del giroscopi de fibra òptica.
1.2 Requisits per a fonts làser d'escombrat
El làser d'escombrat de longitud d'ona única té un rendiment d'afinació de longitud d'ona flexible, pot substituir múltiples làsers de longitud d'ona fixa de sortida, redueix el cost de construcció del sistema i és una part indispensable del sistema de detecció de fibra òptica. Per exemple, en la detecció de fibra de gas traça, els diferents tipus de gasos tenen diferents pics d'absorció de gas. Per tal de garantir l'eficiència d'absorció de la llum quan el gas de mesura és suficient i aconseguir una major sensibilitat de mesura, cal alinear la longitud d'ona de la font de llum de transmissió amb el pic d'absorció de la molècula de gas. El tipus de gas que es pot detectar està essencialment determinat per la longitud d'ona de la font de llum de detecció. Per tant, els làsers d'amplada de línia estreta amb un rendiment d'afinació de banda ampla estable tenen una major flexibilitat de mesura en aquests sistemes de detecció. Per exemple, en alguns sistemes de detecció de fibra òptica distribuïts basats en la reflexió del domini de freqüència òptica, el làser necessita ser escombrat periòdicament ràpidament per aconseguir una detecció i desmodulació coherent d'alta precisió dels senyals òptics, de manera que la velocitat de modulació de la font làser té uns requisits relativament alts i la velocitat d'escombrat del làser ajustable normalment ha d'arribar a 10 pm/μs. A més, el làser d'amplada de línia estreta sintonitzable amb longitud d'ona també es pot utilitzar àmpliament en liDAR, teledetecció làser i anàlisi espectral d'alta resolució i altres camps de detecció. Per tal de complir els requisits dels paràmetres d'alt rendiment d'ample de banda d'afinació, precisió d'afinació i velocitat d'afinació dels làsers de longitud d'ona única en el camp de la detecció de fibra, l'objectiu general de l'estudi dels làsers de fibra d'amplada estreta sintonitzables en els darrers anys és aconseguir una sintonització d'alta precisió en un rang de longitud d'ona més ampli sobre la base de la recerca d'un ample de línia làser ultraestret, un soroll de fase ultrabaix i una freqüència i potència de sortida ultraestables.
1.3 Demanda d'una font de llum làser blanca
En el camp de la detecció òptica, el làser de llum blanca d'alta qualitat és de gran importància per millorar el rendiment del sistema. Com més àmplia sigui la cobertura de l'espectre del làser de llum blanca, més extensa serà la seva aplicació en el sistema de detecció de fibra òptica. Per exemple, quan s'utilitza la xarxa de Bragg de fibra (FBG) per construir una xarxa de sensors, es podria utilitzar l'anàlisi espectral o el mètode de coincidència de filtres sintonitzables per a la desmodulació. El primer utilitzava un espectròmetre per provar directament cada longitud d'ona ressonant de l'FBG a la xarxa. El segon utilitza un filtre de referència per rastrejar i calibrar l'FBG en la detecció, i ambdues requereixen una font de llum de banda ampla com a font de llum de prova per a l'FBG. Com que cada xarxa d'accés FBG tindrà una certa pèrdua d'inserció i té un ample de banda de més de 0,1 nm, la desmodulació simultània de múltiples FBG requereix una font de llum de banda ampla amb alta potència i alt ample de banda. Per exemple, quan s'utilitza una xarxa de fibra de llarg període (LPFG) per a la detecció, com que l'amplada de banda d'un sol pic de pèrdua és de l'ordre de 10 nm, es requereix una font de llum d'ampli espectre amb una amplada de banda suficient i un espectre relativament pla per caracteritzar amb precisió les seves característiques de pic ressonant. En particular, la xarxa de fibra acústica (AIFG) construïda mitjançant l'efecte acustoòptic pot aconseguir un rang d'afinació de longitud d'ona ressonant de fins a 1000 nm mitjançant l'afinació elèctrica. Per tant, les proves de xarxa dinàmica amb un rang d'afinació tan ultraampli representen un gran repte per al rang d'amplada de banda d'una font de llum d'ampli espectre. De la mateixa manera, en els darrers anys, la xarxa de fibra de Bragg inclinada també s'ha utilitzat àmpliament en el camp de la detecció de fibra. A causa de les seves característiques d'espectre de pèrdua de múltiples pics, el rang de distribució de longitud d'ona normalment pot arribar als 40 nm. El seu mecanisme de detecció sol ser comparar el moviment relatiu entre múltiples pics de transmissió, per la qual cosa cal mesurar completament el seu espectre de transmissió. Cal que l'amplada de banda i la potència de la font de llum d'ampli espectre siguin més altes.
2. Estat de la recerca al país i a l'estranger
2.1 Font de llum làser d'amplada de línia estreta
2.1.1 Làser de retroalimentació distribuïda de semiconductor d'amplada de línia estreta
El 2006, Cliche et al. van reduir l'escala de MHz dels semiconductorsLàser DFB(làser de retroalimentació distribuïda) a escala de kHz mitjançant el mètode de retroalimentació elèctrica; El 2011, Kessler et al. van utilitzar una cavitat de monocristall de baixa temperatura i alta estabilitat combinada amb un control de retroalimentació actiu per obtenir una sortida làser d'amplada de línia ultraestreta de 40 MHz; El 2013, Peng et al. van obtenir una sortida làser de semiconductor amb una amplada de línia de 15 kHz mitjançant el mètode d'ajust de retroalimentació extern de Fabry-Perot (FP). El mètode de retroalimentació elèctrica utilitzava principalment la retroalimentació d'estabilització de freqüència Pond-Drever-Hall per reduir l'amplada de línia del làser de la font de llum. El 2010, Bernhardi et al. van produir 1 cm de FBG d'alúmina dopada amb erbi sobre un substrat d'òxid de silici per obtenir una sortida làser amb una amplada de línia d'aproximadament 1,7 kHz. El mateix any, Liang et al. va utilitzar la retroalimentació d'autoinjecció de la dispersió de Rayleigh cap enrere formada per un ressonador de paret d'eco d'alta Q per a la compressió de l'amplada de línia del làser semiconductor, tal com es mostra a la Figura 1, i finalment va obtenir una sortida làser d'amplada de línia estreta de 160 Hz.
Fig. 1 (a) Diagrama de la compressió de l'amplada de línia del làser semiconductor basat en la dispersió de Rayleigh per autoinjecció del ressonador extern en mode de galeria xiuxiuejant;
(b) Espectre de freqüències del làser semiconductor de funcionament lliure amb una amplada de línia de 8 MHz;
(c) Espectre de freqüències del làser amb l'amplada de línia comprimida a 160 Hz
2.1.2 Làser de fibra d'amplada de línia estreta
Per als làsers de fibra de cavitat lineal, la sortida làser d'amplada de línia estreta d'un sol mode longitudinal s'obté escurçant la longitud del ressonador i augmentant l'interval de mode longitudinal. El 2004, Spiegelberg et al. van obtenir una sortida làser d'amplada de línia estreta d'un sol mode longitudinal amb una amplada de línia de 2 kHz mitjançant el mètode de cavitat curta DBR. El 2007, Shen et al. van utilitzar una fibra de silici fortament dopada amb erbi de 2 cm per escriure FBG en una fibra fotosensible co-dopada amb Bi-Ge i la van fusionar amb una fibra activa per formar una cavitat lineal compacta, fent que l'amplada de línia de sortida làser fos inferior a 1 kHz. El 2010, Yang et al. van utilitzar una cavitat lineal curta altament dopada de 2 cm combinada amb un filtre FBG de banda estreta per obtenir una sortida làser de mode longitudinal únic amb una amplada de línia inferior a 2 kHz. El 2014, l'equip va utilitzar una cavitat lineal curta (ressonador d'anell plegat virtual) combinada amb un filtre FBG-FP per obtenir una sortida làser amb una amplada de línia més estreta, com es mostra a la Figura 3. El 2012, Cai et al. van utilitzar una estructura de cavitat curta d'1,4 cm per obtenir una sortida làser polaritzant amb una potència de sortida superior a 114 mW, una longitud d'ona central de 1540,3 nm i una amplada de línia de 4,1 kHz. El 2013, Meng et al. van utilitzar la dispersió Brillouin de fibra dopada amb erbi amb una cavitat d'anell curta d'un dispositiu de preservació de polarització completa per obtenir una sortida làser de mode longitudinal únic i soroll de fase baixa amb una potència de sortida de 10 mW. El 2015, l'equip va utilitzar una cavitat d'anell composta per fibra dopada amb erbi de 45 cm com a medi de guany de dispersió Brillouin per obtenir una sortida làser de llindar baix i amplada de línia estreta.
Fig. 2 (a) Dibuix esquemàtic del làser de fibra SLC;
(b) Forma de línia del senyal heterodí mesurada amb un retard de fibra de 97,6 km
Data de publicació: 20 de novembre de 2023