Tecnologia della sorgente laser perfibra otticarilevamento Parte Uno
La tecnologia di rilevamento in fibra ottica è un tipo di tecnologia di rilevamento sviluppata parallelamente alla tecnologia in fibra ottica e alla tecnologia di comunicazione in fibra ottica, ed è diventata uno dei rami più attivi della tecnologia fotoelettrica. Un sistema di rilevamento in fibra ottica è composto principalmente da laser, fibra di trasmissione, elemento sensibile o area di modulazione, sensore di luce e altri componenti. I parametri che descrivono le caratteristiche dell'onda luminosa includono intensità, lunghezza d'onda, fase, stato di polarizzazione, ecc. Questi parametri possono essere modificati da influenze esterne nella trasmissione in fibra ottica. Ad esempio, quando temperatura, deformazione, pressione, corrente, spostamento, vibrazione, rotazione, flessione e quantità chimiche influenzano il percorso ottico, questi parametri cambiano di conseguenza. Il rilevamento in fibra ottica si basa sulla relazione tra questi parametri e fattori esterni per rilevare le grandezze fisiche corrispondenti.
Ci sono molti tipi disorgente laserutilizzato nei sistemi di rilevamento in fibra ottica, che possono essere suddivisi in due categorie: coerentisorgenti lasere sorgenti luminose incoerenti, incoerentifonti di luceincludono principalmente luce incandescente e diodi ad emissione luminosa, e le sorgenti di luce coerente includono laser solidi, laser liquidi, laser a gas,laser a semiconduttoreElaser a fibraQuanto segue è principalmente per ilsorgente di luce laserAmpiamente utilizzati nel campo della rilevazione su fibra negli ultimi anni: laser a frequenza singola con larghezza di linea stretta, laser a frequenza di scansione a lunghezza d'onda singola e laser bianco.
1.1 Requisiti per linee strettesorgenti di luce laser
Il sistema di rilevamento in fibra ottica non può essere separato dalla sorgente laser, poiché l'onda portante del segnale misurato, la sorgente laser stessa, le prestazioni, come la stabilità di potenza, la larghezza di linea del laser, il rumore di fase e altri parametri, giocano un ruolo decisivo sulla distanza di rilevamento del sistema di rilevamento in fibra ottica, la precisione di rilevamento, la sensibilità e le caratteristiche del rumore. Negli ultimi anni, con lo sviluppo di sistemi di rilevamento in fibra ottica ad altissima risoluzione a lunga distanza, il mondo accademico e l'industria hanno imposto requisiti più rigorosi per le prestazioni di larghezza di linea della miniaturizzazione laser, principalmente in: la tecnologia di riflessione ottica nel dominio della frequenza (OFDR) utilizza la tecnologia di rilevamento coerente per analizzare i segnali diffusi backrayleigh delle fibre ottiche nel dominio della frequenza, con un'ampia copertura (migliaia di metri). I vantaggi dell'alta risoluzione (risoluzione millimetrica) e dell'alta sensibilità (fino a -100 dBm) sono diventati una delle tecnologie con maggiori prospettive di applicazione nella tecnologia di misurazione e rilevamento distribuita in fibra ottica. Il fulcro della tecnologia OFDR è l'utilizzo di una sorgente luminosa sintonizzabile per ottenere la sintonizzazione della frequenza ottica, pertanto le prestazioni della sorgente laser determinano fattori chiave quali la portata di rilevamento, la sensibilità e la risoluzione OFDR. Quando la distanza del punto di riflessione è prossima alla lunghezza di coerenza, l'intensità del segnale di battimento verrà attenuata esponenzialmente dal coefficiente τ/τc. Per una sorgente luminosa gaussiana con forma spettrale, al fine di garantire che la frequenza di battimento abbia una visibilità superiore al 90%, il rapporto tra la larghezza di linea della sorgente luminosa e la massima lunghezza di rilevamento che il sistema può raggiungere è Lmax~0,04 vg/f, il che significa che per una fibra con una lunghezza di 80 km, la larghezza di linea della sorgente luminosa è inferiore a 100 Hz. Inoltre, lo sviluppo di altre applicazioni ha richiesto requisiti più elevati per la larghezza di linea della sorgente luminosa. Ad esempio, nel sistema idrofonico in fibra ottica, la larghezza di linea della sorgente luminosa determina il rumore del sistema e determina anche il segnale minimo misurabile del sistema. Nel riflettore ottico nel dominio del tempo di Brillouin (BOTDR), la risoluzione di misura di temperatura e stress è determinata principalmente dalla larghezza di linea della sorgente luminosa. In un giroscopio a fibra ottica risonante, la lunghezza di coerenza dell'onda luminosa può essere aumentata riducendo la larghezza di linea della sorgente luminosa, migliorando così la finezza e la profondità di risonanza del risonatore, riducendo la larghezza di linea del risonatore e garantendo la precisione di misura del giroscopio a fibra ottica.
1.2 Requisiti per le sorgenti laser sweep
Il laser a scansione a lunghezza d'onda singola offre prestazioni di sintonizzazione della lunghezza d'onda flessibili, può sostituire laser a lunghezza d'onda fissa con più uscite, riduce i costi di costruzione del sistema ed è una parte indispensabile dei sistemi di rilevamento in fibra ottica. Ad esempio, nel rilevamento in fibra ottica di gas traccianti, diversi tipi di gas presentano picchi di assorbimento diversi. Per garantire l'efficienza di assorbimento della luce quando il gas di misurazione è sufficiente e ottenere una maggiore sensibilità di misurazione, è necessario allineare la lunghezza d'onda della sorgente luminosa di trasmissione con il picco di assorbimento della molecola di gas. Il tipo di gas che può essere rilevato è essenzialmente determinato dalla lunghezza d'onda della sorgente luminosa di rilevamento. Pertanto, i laser a larghezza di linea stretta con prestazioni di sintonizzazione a banda larga stabili offrono una maggiore flessibilità di misurazione in tali sistemi di rilevamento. Ad esempio, in alcuni sistemi di rilevamento in fibra ottica distribuiti basati sulla riflessione nel dominio della frequenza ottica, il laser deve essere sottoposto a scansione periodica rapida per ottenere un rilevamento e una demodulazione coerenti ad alta precisione dei segnali ottici, quindi la velocità di modulazione della sorgente laser ha requisiti relativamente elevati e la velocità di scansione del laser regolabile è solitamente richiesta per raggiungere 10 µm/µs. Inoltre, il laser a linea stretta sintonizzabile in lunghezza d'onda può essere ampiamente utilizzato anche in applicazioni liDAR, telerilevamento laser e analisi spettrale ad alta risoluzione, oltre che in altri campi di rilevamento. Al fine di soddisfare i requisiti di elevate prestazioni in termini di larghezza di banda, precisione e velocità di sintonizzazione dei laser a lunghezza d'onda singola nel campo del rilevamento in fibra, l'obiettivo generale dello studio dei laser a fibra stretta sintonizzabili negli ultimi anni è quello di ottenere una sintonizzazione ad alta precisione in un intervallo di lunghezze d'onda più ampio, basato sul perseguimento di una larghezza di linea laser ultra-stretta, un rumore di fase ultra-basso e una frequenza e una potenza di uscita ultra-stabili.
1.3 Richiesta di sorgente di luce laser bianca
Nel campo della rilevazione ottica, un laser a luce bianca di alta qualità è di grande importanza per migliorare le prestazioni del sistema. Maggiore è la copertura spettrale del laser a luce bianca, più estesa è la sua applicazione nei sistemi di rilevamento in fibra ottica. Ad esempio, quando si utilizza un reticolo di Bragg in fibra ottica (FBG) per costruire una rete di sensori, per la demodulazione si può ricorrere all'analisi spettrale o al metodo di adattamento del filtro sintonizzabile. Il primo metodo utilizza uno spettrometro per testare direttamente ciascuna lunghezza d'onda risonante dell'FBG nella rete. Il secondo metodo utilizza un filtro di riferimento per tracciare e calibrare l'FBG nel rilevamento, entrambi i quali richiedono una sorgente luminosa a banda larga come sorgente di luce di prova per l'FBG. Poiché ogni rete di accesso all'FBG avrà una certa perdita di inserzione e una larghezza di banda superiore a 0,1 nm, la demodulazione simultanea di più FBG richiede una sorgente luminosa a banda larga ad alta potenza e larghezza di banda elevata. Ad esempio, quando si utilizza un reticolo in fibra a lungo periodo (LPFG) per il rilevamento, poiché la larghezza di banda di un singolo picco di perdita è dell'ordine di 10 nm, è necessaria una sorgente luminosa ad ampio spettro con larghezza di banda sufficiente e spettro relativamente piatto per caratterizzare accuratamente le sue caratteristiche di picco risonante. In particolare, un reticolo in fibra acustica (AIFG), costruito utilizzando l'effetto acusto-ottico, può raggiungere un intervallo di sintonia con lunghezze d'onda risonanti fino a 1000 nm mediante sintonia elettrica. Pertanto, i test dinamici su reticolo con un intervallo di sintonia così ampio rappresentano una grande sfida per l'intervallo di banda di una sorgente luminosa ad ampio spettro. Analogamente, negli ultimi anni, anche il reticolo in fibra di Bragg inclinato è stato ampiamente utilizzato nel campo del rilevamento in fibra. Grazie alle sue caratteristiche spettrali di perdita multi-picco, l'intervallo di distribuzione delle lunghezze d'onda può solitamente raggiungere i 40 nm. Il suo meccanismo di rilevamento consiste solitamente nel confrontare il movimento relativo tra più picchi di trasmissione, quindi è necessario misurarne completamente lo spettro di trasmissione. La larghezza di banda e la potenza della sorgente luminosa ad ampio spettro devono essere maggiori.
2. Stato della ricerca in patria e all'estero
2.1 Sorgente luminosa laser a larghezza di linea stretta
2.1.1 Laser a semiconduttore a larghezza di linea stretta con feedback distribuito
Nel 2006, Cliche et al. hanno ridotto la scala MHz dei semiconduttoriLaser DFB(laser a feedback distribuito) su scala kHz utilizzando il metodo di feedback elettrico; Nel 2011, Kessler et al. hanno utilizzato una cavità monocristallina a bassa temperatura e alta stabilità combinata con controllo di feedback attivo per ottenere un'uscita laser a larghezza di linea ultra stretta di 40 MHz; Nel 2013, Peng et al. hanno ottenuto un'uscita laser a semiconduttore con una larghezza di linea di 15 kHz utilizzando il metodo di regolazione del feedback Fabry-Perot (FP) esterno. Il metodo di feedback elettrico utilizzava principalmente il feedback di stabilizzazione della frequenza Pond-Drever-Hall per ridurre la larghezza di linea laser della sorgente luminosa. Nel 2010, Bernhardi et al. hanno prodotto 1 cm di allumina FBG drogata con erbio su un substrato di ossido di silicio per ottenere un'uscita laser con una larghezza di linea di circa 1,7 kHz. Nello stesso anno, Liang et al. è stato utilizzato il feedback di autoiniezione della diffusione di Rayleigh all'indietro formato da un risonatore a parete di eco ad alto Q per la compressione della larghezza di linea del laser a semiconduttore, come mostrato nella Figura 1, e si è infine ottenuta un'uscita laser a larghezza di linea stretta di 160 Hz.
Fig. 1 (a) Diagramma della compressione della larghezza di linea del laser a semiconduttore basato sulla diffusione di Rayleigh auto-iniezione del risonatore di modalità galleria sussurrante esterna;
(b) Spettro di frequenza del laser a semiconduttore a funzionamento libero con larghezza di linea di 8 MHz;
(c) Spettro di frequenza del laser con larghezza di linea compressa a 160 Hz
2.1.2 Laser a fibra a larghezza di linea stretta
Per i laser a fibra a cavità lineare, l'uscita laser a larghezza di linea stretta di un singolo modo longitudinale si ottiene accorciando la lunghezza del risonatore e aumentando l'intervallo di modo longitudinale. Nel 2004, Spiegelberg et al. hanno ottenuto un'uscita laser a larghezza di linea stretta di un singolo modo longitudinale con una larghezza di linea di 2 kHz utilizzando il metodo DBR a cavità corta. Nel 2007, Shen et al. hanno utilizzato una fibra di silicio drogata con erbio da 2 cm per scrivere FBG su una fibra fotosensibile co-drogata Bi-Ge e l'hanno fusa con una fibra attiva per formare una cavità lineare compatta, riducendo la larghezza di linea dell'uscita laser a 1 kHz. Nel 2010, Yang et al. hanno utilizzato una cavità lineare corta di 2 cm ad alto drogaggio combinata con un filtro FBG a banda stretta per ottenere un'uscita laser a singolo modo longitudinale con una larghezza di linea inferiore a 2 kHz. Nel 2014, il team ha utilizzato una cavità lineare corta (risonatore ad anello virtuale ripiegato) combinata con un filtro FBG-FP per ottenere un'uscita laser con una larghezza di linea più stretta, come mostrato in Figura 3. Nel 2012, Cai et al. hanno utilizzato una struttura a cavità corta da 1,4 cm per ottenere un'uscita laser polarizzante con una potenza di uscita superiore a 114 mW, una lunghezza d'onda centrale di 1540,3 nm e una larghezza di linea di 4,1 kHz. Nel 2013, Meng et al. hanno utilizzato lo scattering di Brillouin di fibra drogata con erbio con una cavità ad anello corta di un dispositivo a preservazione completa della polarizzazione per ottenere un'uscita laser a singolo modo longitudinale e basso rumore di fase con una potenza di uscita di 10 mW. Nel 2015, il team ha utilizzato una cavità ad anello composta da fibra drogata con erbio da 45 cm come mezzo di guadagno dello scattering di Brillouin per ottenere un'uscita laser a bassa soglia e larghezza di linea stretta.
Fig. 2 (a) Disegno schematico del laser a fibra SLC;
(b) Forma della linea del segnale eterodina misurata con un ritardo della fibra di 97,6 km
Data di pubblicazione: 20-11-2023