Tecnologia de font làser perfibra òpticadetectant la 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 de 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 es poden modificar per influències externes en la transmissió de la 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 el camí òptic, aquests paràmetres canvien corresponentment. La detecció de fibra òptica es basa en la relació entre aquests paràmetres i factors externs per detectar les magnituds físiques corresponents.
Hi ha molts tipus defont làserutilitzat en sistemes de detecció de fibra òptica, que es poden dividir en dues categories: coherentfonts 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 fibra. El següent és principalment per afont de llum làseràmpliament utilitzat en el camp de la detecció de fibra en els darrers anys: làser d'una sola freqüència d'amplada de línia estreta, làser de freqüència d'escombrat d'una sola longitud d'ona i làser blanc.
1.1 Requisits per a una 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 pròpia font de llum làser, com ara estabilitat de potència, amplada de línia làser, soroll de fase i altres paràmetres de la distància de detecció del sistema de detecció de fibra òptica, detecció les característiques de precisió, sensibilitat i soroll juguen un paper decisiu. En els darrers anys, amb el desenvolupament de sistemes de detecció de fibra òptica d'ultra alta resolució de llarga distància, l'acadèmia 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 del domini de freqüència òptica (OFDR) utilitza coherents tecnologia de detecció per analitzar els senyals dispersos backrayleigh de fibres òptiques en el domini freqüencial, amb una àmplia cobertura (milers de metres). Els avantatges de l'alta resolució (resolució a nivell mil·límetre) 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 ajustable per aconseguir l'ajust de 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 la coherència, la intensitat del senyal de batec serà atenuada exponencialment pel coeficient τ/τc. Per a una font de llum gaussiana amb una forma espectral, per tal d'assegurar que la freqüència de ritme 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 pot aconseguir el sistema és Lmax ~ 0,04vg /f, 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 va plantejar requisits més elevats per a l'amplada de línia de la font de llum. Per exemple, al sistema d'hidròfon 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. Al reflector de domini òptic de temps Brillouin (BOTDR), la resolució de mesura de la temperatura i l'estrès està determinada principalment per l'amplada de línia de la font de llum. En un giroscopi de fibra òptica de 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 mesura. precisió del giroscopi de fibra òptica.
1.2 Requisits per a fonts làser d'escombrat
El làser d'escombrat d'una sola longitud d'ona té un rendiment flexible de sintonització de la longitud d'ona, pot substituir els làsers de longitud d'ona fixa de múltiples sortides, reduir el cost de la construcció del sistema, és una part indispensable del sistema de detecció de fibra òptica. Per exemple, en la detecció de fibres de gas traça, diferents tipus de gasos tenen diferents pics d'absorció de gasos. Per garantir l'eficiència d'absorció de la llum quan el gas de mesura és suficient i aconseguir una sensibilitat de mesura més alta, 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 determinat essencialment per la longitud d'ona de la font de llum sensor. Per tant, els làsers d'amplada de línia estreta amb un rendiment estable de sintonització de banda ampla 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 la freqüència òptica, el làser s'ha de escombrar ràpidament periòdicament per aconseguir una detecció i demodulació coherents d'alta precisió dels senyals òptics, de manera que la taxa de modulació de la font làser té requisits relativament elevats. , i la velocitat d'escombrat del làser ajustable sol ser necessària per arribar a 10 pm/μs. A més, el làser d'ample de línia estret ajustable de 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 de sintonització, precisió de sintonització i velocitat de sintonització de làsers d'una sola longitud d'ona en el camp de la detecció de fibra, l'objectiu general d'estudiar els làsers de fibra d'amplada estreta ajustables en els darrers anys és aconseguir un alt nivell. Sintonització de precisió en un rang de longitud d'ona més gran sobre la base de la recerca d'ample de línia làser ultra estret, soroll de fase ultra baix i freqüència i potència de sortida ultra estables.
1.3 Demanda de 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 és la cobertura de l'espectre del làser de llum blanca, més àmplia serà la seva aplicació en el sistema de detecció de fibra òptica. Per exemple, quan s'utilitza la reixeta de Bragg de fibra (FBG) per construir una xarxa de sensors, es podria utilitzar un mètode d'anàlisi espectral o un filtre ajustable per a la demodulació. El primer va utilitzar un espectròmetre per provar directament cada longitud d'ona ressonant FBG a la xarxa. Aquest últim utilitza un filtre de referència per rastrejar i calibrar l'FBG a la detecció, ambdós 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 una amplada de banda de més de 0,1 nm, la demodulació simultània de múltiples FBG requereix una font de llum de banda ampla amb gran potència i ample de banda elevat. Per exemple, quan s'utilitza una reixa de fibra de llarg període (LPFG) per a la detecció, ja que l'amplada de banda d'un pic de pèrdua únic 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 la seva ressonància. característiques del pic. En particular, la reixeta de fibra acústica (AIFG) construïda mitjançant l'ús de l'efecte acústo-òptic pot aconseguir un rang de sintonització de longitud d'ona ressonant de fins a 1000 nm mitjançant l'afinació elèctrica. Per tant, les proves de reixeta dinàmiques amb un rang de sintonització tan ampli suposen un gran repte per a l'ample de banda d'una font de llum d'ampli espectre. De la mateixa manera, en els últims anys, la reixa de fibra de Bragg inclinada també s'ha utilitzat àmpliament en el camp de la detecció de fibres. A causa de les seves característiques d'espectre de pèrdua de múltiples pics, el rang de distribució de longituds d'ona sol arribar als 40 nm. El seu mecanisme de detecció sol ser comparar el moviment relatiu entre múltiples pics de transmissió, per la qual cosa és necessari mesurar completament el seu espectre de transmissió. L'amplada de banda i la potència de la font de llum d'ampli espectre han de ser més grans.
2. Estat de la recerca al país ia l'estranger
2.1 Font de llum làser d'amplada de línia estreta
2.1.1 Làser de retroalimentació distribuïda de semiconductors d'amplada de línia estreta
El 2006, Cliche et al. va reduir l'escala de MHz del semiconductorLàser DFB(làser de retroalimentació distribuïda) a escala kHz mitjançant el mètode de retroalimentació elèctrica; El 2011, Kessler et al. utilitza una cavitat de cristall únic de baixa temperatura i alta estabilitat combinada amb un control de retroalimentació actiu per obtenir una sortida làser d'amplada de línia ultra estreta de 40 MHz; El 2013, Peng et al van obtenir una sortida làser de semiconductors amb una amplada de línia de 15 kHz mitjançant el mètode d'ajust de retroalimentació extern Fabry-Perot (FP). El mètode de retroalimentació elèctrica utilitzava principalment la retroalimentació d'estabilització de freqüència de Pond-Drever-Hall per reduir l'amplada de línia làser de la font de llum. El 2010, Bernhardi et al. va produir 1 cm d'alúmina FBG dopada amb erbi sobre un substrat d'òxid de silici per obtenir una sortida làser amb una amplada de línia d'uns 1,7 kHz. El mateix any, Liang et al. va utilitzar la retroalimentació d'autoinjecció de la dispersió Rayleigh cap enrere formada per un ressonador de paret d'eco d'alta Q per a la compressió d'amplada de línia làser de semiconductors, 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 compressió d'amplada de línia làser de semiconductors basat en la dispersió Rayleigh d'autoinjecció del ressonador en mode galeria de xiuxiueig extern;
(b) Espectre de freqüència del làser semiconductor de funcionament lliure amb una amplada de línia de 8 MHz;
(c) Espectre de freqüència del làser amb una 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 del mode longitudinal únic s'obté escurçant la longitud del ressonador i augmentant l'interval del mode longitudinal. El 2004, Spiegelberg et al. va obtenir una sortida làser d'amplada de línia estreta en mode longitudinal únic amb una amplada de línia de 2 kHz mitjançant el mètode de cavitat curta DBR. El 2007, Shen et al. va utilitzar una fibra de silici fortament dopada amb erbi de 2 cm per escriure FBG en una fibra fotosensible co-dopada Bi-Ge i la va fusionar amb una fibra activa per formar una cavitat lineal compacta, fent que la seva amplada de línia de sortida làser sigui inferior a 1 kHz. El 2010, Yang et al. va utilitzar una cavitat lineal curta de 2 cm molt dopada combinada amb un filtre FBG de banda estreta per obtenir una única sortida làser de mode longitudinal 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, tal com es mostra a la figura 3. El 2012, Cai et al. va 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. va utilitzar la dispersió Brillouin de fibra dopada amb erbi amb una cavitat d'anell curt d'un dispositiu de preservació de polarització completa per obtenir una sortida làser de soroll de baixa fase i mode longitudinal 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 mitjà de guany de dispersió Brillouin per obtenir un llindar baix i una sortida làser d'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
Hora de publicació: 20-nov-2023