Tecnologia di fonte laser perfibra otticapercependo la prima parte
La tecnologia di rilevamento delle fibre ottiche è una sorta di tecnologia di rilevamento sviluppata insieme alla tecnologia delle fibre ottiche e alla tecnologia di comunicazione in fibra ottica ed è diventata uno dei rami più attivi della tecnologia fotoelettrica. Il sistema di rilevamento delle fibre ottiche è principalmente composto da laser, fibra di trasmissione, elemento di rilevamento o area di modulazione, rilevamento della luce e altre parti. 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 la temperatura, la deformazione, la pressione, la corrente, lo spostamento, le vibrazioni, la rotazione, la flessione e la quantità chimica influiscono sul percorso ottico, questi parametri cambiano di conseguenza. Il rilevamento delle fibre ottiche si basa sulla relazione tra questi parametri e fattori esterni per rilevare le corrispondenti quantità fisiche.
Ci sono molti tipi difonte laserUtilizzato nei sistemi di rilevamento delle fibre ottiche, che possono essere divisi in due categorie: coerentefonti lasere fonti di luce incoerenti, incoerentifonti luminoseIncludere principalmente diodi a incandescenza e di luce che emettono la luce e le fonti di luce coerenti includono laser solidi, laser liquidi, laser a gas,laser a semiconduttoreELaser in fibra. Quanto segue è principalmente per ilsorgente di luce laserAmpiamente utilizzato nel campo del rilevamento delle fibre negli ultimi anni: laser a frequenza singola larghezza della linea stretta, laser a frequenza di spazzatura a lunghezza d'onda singola e laser bianco.
1.1 Requisiti per la larghezza di linea strettafonti di luce laser
Il sistema di rilevamento delle fibre ottiche non può essere separato dalla sorgente laser, poiché l'onda luminosa del vettore di segnale misurato, la sorgente di luce laser stessa prestazioni, come stabilità di potenza, larghezza della linea laser, rumore di fase e altri parametri sulla distanza di rilevamento del sistema di fibra di fibra ottica, la distanza di rilevamento della rilevazione, la sensibilità e le caratteristiche del rumore svolgono un ruolo decisivo. Negli ultimi anni, con lo sviluppo di sistemi di rilevamento in fibra ottica a lunga risoluzione a lunga distanza, il mondo accademico e l'industria hanno presentato requisiti più rigorosi per le prestazioni della larghezza di linea della miniaturizzazione laser, principalmente in: una tecnologia di doma di frequenza (OFDR) di una trasmissione di frequenza, con una trasmissione di frequenza (OFDR), con una tecnologia di doma di frequenza (OFDR) con una tecnologia di frequenza (OFDR) con una copertura di frequenza (OFDR) con una durata di frequenza, con una durata di frequenza (OFDR). metri). I vantaggi dell'alta risoluzione (risoluzione di livello millimetro) e un'elevata sensibilità (fino a -100 dBm) sono diventati una delle tecnologie con ampie prospettive di applicazione nella tecnologia di misurazione e rilevamento delle fibre ottiche distribuite. Il nucleo della tecnologia OFDR è quello di utilizzare la fonte di luce sintonizzabile per ottenere la messa a punto della frequenza ottica, quindi le prestazioni della sorgente laser determinano i fattori chiave come l'intervallo di rilevamento OFDR, la sensibilità e la risoluzione. Quando la distanza del punto di riflessione è vicina alla lunghezza della coerenza, l'intensità del segnale di battuta sarà attenuata in modo esponenziale dal coefficiente τ/τc. Per una fonte di luce gaussiana con una forma spettrale, al fine di garantire che la frequenza di battito abbia una visibilità superiore al 90%, la relazione tra la larghezza della linea della sorgente luminosa e la lunghezza di rilevamento massima che il sistema può ottenere è LMAX ~ 0,04VG/F, il che significa che per una fibra con una lunghezza di 80 km, la larghezza della linea della luce è inferiore a 100 Hz. Inoltre, lo sviluppo di altre applicazioni ha anche proposto requisiti più elevati per la larghezza di linea della fonte di luce. Ad esempio, nel sistema di idrofono in fibra ottica, la larghezza di linea della sorgente di luce determina il rumore del sistema e determina anche il segnale misurabile minimo del sistema. In Brillouin Optical Time Domain Reflector (BOTDR), la risoluzione di misurazione della temperatura e dello stress è determinata principalmente dalla larghezza di linea della sorgente luminosa. In un giroscopio in fibra ottica del risonatore, la lunghezza di coerenza dell'onda luminosa può essere aumentata riducendo la larghezza della linea della sorgente luminosa, migliorando così la profondità di finezza e risonanza del risonatore, riducendo la larghezza della linea del risonatore e garantendo l'accuratezza della misurazione del giroscopio in fibra ottica.
1.2 Requisiti per le fonti laser spazzate
Il laser a sweep a lunghezza d'onda singola ha prestazioni di accordatura della lunghezza d'onda flessibile, può sostituire più laser a lunghezza d'onda fissa in uscita, ridurre il costo della costruzione del sistema, è una parte indispensabile del sistema di rilevamento delle fibre ottiche. Ad esempio, nel rilevamento della fibra di gas in traccia, diversi tipi di gas hanno picchi di assorbimento di gas diversi. Al fine di garantire l'efficienza di assorbimento della luce quando il gas di misurazione è sufficiente e raggiunge una maggiore sensibilità di misurazione, è necessario allineare la lunghezza d'onda della fonte di luce 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 di luce di rilevamento. Pertanto, i laser a larghezza di linea stretti con prestazioni di sintonizzazione della banda larga stabili hanno una maggiore flessibilità di misurazione in tali sistemi di rilevamento. Ad esempio, in alcuni sistemi di rilevamento delle fibre ottiche distribuite basate sulla riflessione del dominio di frequenza ottica, il laser deve essere rapidamente spazzato periodicamente per ottenere un rilevamento coerente e la demodulazione di segnali ottici di alta precisione, quindi la velocità di modulazione della sorgente laser ha requisiti relativamente elevati e la velocità di spazzatura del laser regolabile è generalmente necessaria per raggiungere 10 pm/μs. Inoltre, il laser a larghezza di linea stretta sintonizzabile con lunghezza d'onda può anche essere ampiamente utilizzato in lidar, telerilevamento laser e analisi spettrale ad alta risoluzione e altri campi di rilevamento. Al fine di soddisfare i requisiti dei parametri ad alte prestazioni di ottimizzazione della larghezza di banda, dell'accuratezza della messa a punto e della velocità di accordatura dei laser a lunghezza d'onda singola nel campo del rilevamento delle fibre, l'obiettivo generale di studiare i laser a fibra di larghezza stretta a larghezza stretta sintonizzabili in una vasta gamma di lunghezza d'onda più ampia, è un rumore di pala fase più ampia, è quello di ottenere un tuning a larghezza di larghezza di larghezza, elabora di outpidi ad alta marca, è quello di ottenere un rumori di elabora di outpidi ad alta marca di outpidi, è quello di ottenere un tuning di larghezza di larghezza di larghezza, ultra-esagerata, è quello di ottenere un rumori di elabora di outpidi ad alta marca. frequenza e potenza.
1.3 Richiesta di fonte di luce laser bianca
Nel campo del rilevamento ottico, il laser a luce bianca di alta qualità è di grande significato per migliorare le prestazioni del sistema. Più ampia è la copertura dello spettro del laser a luce bianca, più ampia è la sua applicazione nel sistema di rilevamento delle fibre ottiche. Ad esempio, quando si utilizza la griglia di Bragg in fibra (FBG) per costruire una rete di sensori, è possibile utilizzare un'analisi spettrale o un metodo di abbinamento del filtro sintonizzabile per la demodulazione. Il primo ha utilizzato uno spettrometro per testare direttamente ogni lunghezza d'onda risonante FBG nella rete. Quest'ultimo utilizza un filtro di riferimento per tracciare e calibrare l'FBG nel rilevamento, entrambi i quali richiedono una sorgente di luce a banda larga come sorgente di luce di prova per l'FBG. Poiché ogni rete di accesso FBG avrà una certa perdita di inserzione e ha una larghezza di banda di oltre 0,1 nm, la demodulazione simultanea di più FBG richiede una sorgente di luce a banda larga con alta potenza e alta larghezza di banda. Ad esempio, quando si utilizzano una grata di fibra a lungo periodo (LPFG) per il rilevamento, poiché la larghezza di banda di un singolo picco di perdita è nell'ordine di 10 nm, è necessaria una fonte di luce ad ampio spettro con sufficiente larghezza di banda e spettro relativamente piatto per caratterizzare accuratamente le sue caratteristiche di picco risonante. In particolare, la griglia a fibra acustica (AIFG) costruita utilizzando l'effetto acusto-ottico può ottenere una gamma di accordatura di lunghezza d'onda risonante fino a 1000 nm per mezzo di sintonizzazione elettrica. Pertanto, i test dinamici di griglia con una tale gamma di sintonizzazione ultra larga rappresentano una grande sfida per la gamma di larghezza di banda di una sorgente di luce ad ampio spettro. Allo stesso modo, negli ultimi anni, anche la griglia di fibra di Bragg inclinata è stata ampiamente utilizzata nel campo del rilevamento delle fibre. A causa delle sue caratteristiche dello spettro di perdita multi-picco, l'intervallo di distribuzione della lunghezza d'onda può di solito raggiungere 40 nm. Il suo meccanismo di rilevamento è generalmente quello di confrontare il movimento relativo tra più picchi di trasmissione, quindi è necessario misurare completamente il suo spettro di trasmissione. La larghezza di banda e la potenza della fonte di luce a spettro ampio devono essere più elevate.
2. Stato della ricerca in patria e all'estero
2.1 fonte di luce laser a larghezza di linea stretta
2.1.1 Laser di feedback distribuito a semiconduttore a larghezza di linea stretta
Nel 2006, Cliche et al. ridotto la scala MHZ di semiconduttoreLaser DFB(Laser di feedback distribuito) su scala KHZ usando il metodo di feedback elettrico; Nel 2011, Kessler et al. Utilizzo della cavità a bassa temperatura e ad alta stabilità a singolo cristallo combinata con il controllo di feedback attivo per ottenere un'uscita laser a larghezza di linea ultra-reti di 40 MHz; Nel 2013, Peng et al hanno ottenuto un'output laser a semiconduttore con una larghezza di linea di 15 kHz utilizzando il metodo di regolazione del feedback di Fabry-Perot (FP) esterno. Il metodo di feedback elettrico ha utilizzato principalmente il feedback di stabilizzazione della frequenza della sala da stagno-drever per far ridere la larghezza di linea laser della fonte di luce. Nel 2010, Bernhardi et al. Prodotto 1 cm di allumina drogata con erbio FBG su un substrato di ossido di silicio per ottenere una uscita laser con una larghezza della linea di circa 1,7 kHz. Nello stesso anno, Liang et al. Utilizzato il feedback di autoiniezione dello scattering di Rayleigh all'indietro formato da un risonatore a parete Echo ad alta Q per la compressione della larghezza laser a semiconduttore, come mostrato nella Figura 1, e infine ottenuto un'uscita laser a larghezza di linea stretta di 160 Hz.
Fig. 1 (A) Diagramma della compressione della larghezza del laser a semiconduttore basata sulla dispersione di auto-iniezione di Rayleigh del risonatore della modalità di Whispering Galleria esterna;
(b) spettro di frequenza del laser a semiconduttore a corsa libera 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 fibra di larghezza di linea stretta
Per i laser in fibra di cavità lineari, l'uscita laser a larghezza di linea stretta di singola modalità longitudinale si ottiene accorciando la lunghezza del risonatore e aumentando l'intervallo della modalità longitudinale. Nel 2004, Spiegelberg et al. ha ottenuto una singola modalità longitudinale larghezza stretta output laser con una larghezza di linea di 2 kHz utilizzando il metodo della cavità corta DBR. Nel 2007, Shen et al. Utilizzato una fibra di silicio drogata pesantemente da 2 cm per scrivere FBG su una fibra fotosensibile co-drogata con Bi-GE e fuso con una fibra attiva per formare una cavità lineare compatta, rendendo la sua larghezza della linea di uscita laser inferiore a 1 kHz. Nel 2010, Yang et al. Utilizzato una cavità lineare corta altamente drogata da 2 cm combinata con un filtro FBG a banda stretta per ottenere una singola uscita laser in modalità longitudinale con una larghezza di linea inferiore a 2 kHz. Nel 2014, il team ha utilizzato una breve cavità lineare (risonatore ad anello piegato virtuale) combinata con un filtro FBG-FP per ottenere un output laser con una larghezza di linea più stretta, come mostrato nella Figura 3. Nel 2012, Cai et al. Utilizzato una struttura di 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 della linea di 4,1 kHz. Nel 2013, Meng et al. Scattering di Brillouin ha usato la fibra drogata con erbio con una cavità a anello corto di un dispositivo di conservazione di polli a full per ottenere una modalità singolo-longitudinale, uscita laser a bassa fase con una potenza di uscita di 10 mW. Nel 2015, il team ha utilizzato una cavità ad anello composta da una fibra drogata con erbio da 45 cm come mezzo di guadagno di scattering di Brillouin per ottenere una soglia bassa e un'uscita laser a larghezza di linea stretta.
Fig. 2 (a) disegno schematico del laser in fibra SLC;
(b) Lineshape del segnale eterodyne misurato con ritardo in fibra di 97,6 km
Tempo post: novembre-20-2023