Tecnologia della sorgente laser perfibra otticapercependo la prima parte
La tecnologia di rilevamento in fibra ottica è un tipo di tecnologia di rilevamento sviluppata insieme alla tecnologia in fibra ottica e alla tecnologia di comunicazione in fibra ottica ed è diventata uno dei rami più attivi della tecnologia fotoelettrica.Il sistema di rilevamento in fibra ottica è composto principalmente 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 della fibra ottica.Ad esempio, quando temperatura, deformazione, pressione, corrente, spostamento, vibrazione, rotazione, flessione e quantità chimica 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 quantità fisiche corrispondenti.
Ne esistono molti tipisorgente laserutilizzati nei sistemi di rilevamento a fibra ottica, che possono essere suddivisi in due categorie: coerentisorgenti lasere sorgenti luminose incoerenti, incoerentifonti di luceincludono principalmente luce a incandescenza e diodi emettitori di luce, mentre le sorgenti luminose coerenti includono laser solidi, laser liquidi, laser a gas,laser a semiconduttoreElaser a fibra.Quanto segue è principalmente per ilsorgente luminosa laserampiamente utilizzato nel campo del rilevamento delle fibre negli ultimi anni: laser a frequenza singola con larghezza di linea stretta, laser con frequenza di scansione a lunghezza d'onda singola e laser bianco.
1.1 Requisiti per larghezza di linea ridottasorgenti luminose laser
Il sistema di rilevamento in fibra ottica non può essere separato dalla sorgente laser, poiché l'onda luminosa della portante del segnale misurata, le prestazioni della sorgente di luce laser stessa, come stabilità di potenza, larghezza di linea del laser, rumore di fase e altri parametri sulla distanza di rilevamento del sistema di rilevamento in fibra ottica, rilevamento la precisione, la sensibilità e le caratteristiche del rumore giocano un ruolo decisivo.Negli ultimi anni, con lo sviluppo di sistemi di rilevamento in fibra ottica a lunga distanza e ad altissima risoluzione, il mondo accademico e l'industria hanno proposto requisiti più rigorosi per le prestazioni di larghezza di linea della miniaturizzazione laser, principalmente in: la tecnologia OFDR (riflessione nel dominio della frequenza ottica) utilizza metodi coerenti tecnologia di rilevamento per analizzare i segnali diffusi backrayleigh di fibre ottiche nel dominio della frequenza, con un'ampia copertura (migliaia di metri).I vantaggi dell'alta risoluzione (risoluzione a livello millimetrico) e dell'alta sensibilità (fino a -100 dBm) sono diventati una delle tecnologie con ampie prospettive di applicazione nella tecnologia di misurazione e rilevamento della fibra ottica distribuita.Il nucleo della tecnologia OFDR è l'utilizzo di una sorgente luminosa sintonizzabile per ottenere la sintonizzazione della frequenza ottica, quindi le prestazioni della sorgente laser determinano fattori chiave come il raggio di rilevamento OFDR, la sensibilità e la risoluzione.Quando la distanza del punto di riflessione è vicina alla lunghezza di coerenza, l'intensità del segnale di battimento sarà attenuata esponenzialmente dal coefficiente τ/τc.Per una sorgente luminosa gaussiana con forma spettrale, per garantire che la frequenza di battimento abbia una visibilità superiore al 90%, il rapporto tra la larghezza della linea della sorgente luminosa e la lunghezza di rilevamento massima che il sistema può raggiungere è Lmax~0,04vg /f, il che significa che per una fibra lunga 80 km, la larghezza della linea della sorgente luminosa è inferiore a 100 Hz.Inoltre lo sviluppo di altre applicazioni pone requisiti più elevati in termini di larghezza di linea della sorgente luminosa.Ad esempio, nel sistema idrofono a 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 Brillouin nel dominio del tempo (BOTDR), la risoluzione della misurazione della temperatura e dello stress è determinata principalmente dalla larghezza della linea della sorgente luminosa.In un giroscopio a fibra ottica con risonatore, la lunghezza di coerenza dell'onda luminosa può essere aumentata riducendo la larghezza della linea della sorgente luminosa, migliorando così la finezza e la profondità di risonanza del risonatore, riducendo la larghezza della linea del risonatore e garantendo la misurazione precisione del giroscopio in fibra ottica.
1.2 Requisiti per sorgenti laser a scansione
Il laser di scansione a lunghezza d'onda singola ha prestazioni di sintonizzazione della lunghezza d'onda flessibili, può sostituire laser a lunghezza d'onda fissa con uscita multipla, ridurre i costi di costruzione del sistema, è una parte indispensabile del sistema di rilevamento in fibra ottica.Ad esempio, nel rilevamento delle fibre di gas in tracce, diversi tipi di gas hanno picchi di assorbimento diversi.Per garantire l'efficienza di assorbimento della luce quando il gas di misurazione è sufficiente e ottenere una sensibilità di misurazione più elevata, 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 stabili di sintonizzazione a banda larga hanno una maggiore flessibilità di misurazione in tali sistemi di rilevamento.Ad esempio, in alcuni sistemi di rilevamento distribuiti in fibra ottica basati sulla riflessione nel dominio della frequenza ottica, il laser deve essere spazzato rapidamente e periodicamente per ottenere un rilevamento coerente ad alta precisione e una demodulazione dei segnali ottici, quindi la velocità di modulazione della sorgente laser ha requisiti relativamente elevati e la velocità di scansione del laser regolabile deve solitamente raggiungere 10 pm/μs.Inoltre, il laser a larghezza di linea stretta regolabile in lunghezza d'onda può essere ampiamente utilizzato anche in liDAR, nel telerilevamento laser e nell'analisi spettrale ad alta risoluzione e in altri campi di rilevamento.Al fine di soddisfare i requisiti di parametri ad alte prestazioni relativi alla larghezza di banda di sintonizzazione, alla precisione di sintonizzazione e alla velocità di sintonizzazione dei laser a lunghezza d'onda singola nel campo del rilevamento delle fibre, l'obiettivo generale dello studio dei laser a fibra sintonizzabili a larghezza stretta negli ultimi anni è quello di ottenere risultati elevati sintonizzazione di precisione in una gamma di lunghezze d'onda più ampia sulla base del perseguimento di una larghezza di linea laser ultra stretta, di un rumore di fase ultra basso e di una frequenza e potenza di uscita ultra stabili.
1.3 Domanda di sorgente di luce laser bianca
Nel campo del rilevamento ottico, il laser a luce bianca di alta qualità è di grande importanza per migliorare le prestazioni del sistema.Quanto più ampia è la copertura dello spettro del laser a luce bianca, tanto più estesa è la sua applicazione nei sistemi di rilevamento a fibra ottica.Ad esempio, quando si utilizza il reticolo in fibra di Bragg (FBG) per costruire una rete di sensori, per la demodulazione è possibile utilizzare l'analisi spettrale o il metodo di corrispondenza del filtro sintonizzabile.Il primo ha utilizzato uno spettrometro per testare direttamente ciascuna 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 luminosa a banda larga come sorgente luminosa di prova per l'FBG.Poiché ciascuna rete di accesso FBG avrà una certa perdita di inserzione e ha una larghezza di banda superiore a 0,1 nm, la demodulazione simultanea di più FBG richiede una sorgente luminosa a banda larga con elevata 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 la sua risonanza. caratteristiche di punta.In particolare, il reticolo in fibra acustica (AIFG) costruito utilizzando l'effetto acusto-ottico può raggiungere un intervallo di sintonizzazione della lunghezza d'onda risonante fino a 1000 nm mediante sintonizzazione elettrica.Pertanto, i test del reticolo dinamico con una gamma di sintonizzazione così ampia rappresentano una grande sfida per la gamma di larghezza di banda di una sorgente luminosa ad ampio spettro.Allo stesso modo, negli ultimi anni, anche il reticolo inclinato in fibra di Bragg è stato ampiamente utilizzato nel campo del rilevamento delle fibre.A causa delle caratteristiche dello spettro di perdita multi-picco, l'intervallo di distribuzione della lunghezza 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 di luce laser a larghezza di linea stretta
2.1.1 Laser a feedback distribuito a semiconduttore a larghezza di linea stretta
Nel 2006, Cliche et al.ridotto la scala MHz del semiconduttoreLaser DFB(laser a feedback distribuito) su scala kHz utilizzando il metodo del feedback elettrico;Nel 2011, Kessler et al.utilizzata cavità monocristallina a bassa temperatura e alta stabilità combinata con controllo di feedback attivo per ottenere un'uscita laser con larghezza di linea ultrastretta 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 esterno Fabry-Perot (FP).Il metodo del feedback elettrico utilizzava principalmente il feedback di stabilizzazione della frequenza Pond-Drever-Hall per ridurre la larghezza della linea laser della sorgente luminosa.Nel 2010 Bernhardi et al.ha prodotto 1 cm di FBG di allumina 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.ha utilizzato il feedback di autoiniezione dello scattering di Rayleigh all'indietro formato da un risonatore a parete con eco ad alto Q per la compressione della larghezza di linea del laser a semiconduttore, come mostrato nella Figura 1, e infine ha ottenuto 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 sullo scattering Rayleigh ad autoiniezione del risonatore esterno in modalità galleria sussurrante;
(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 a fibra a larghezza di linea stretta
Per i laser a fibra a cavità lineare, l'uscita del laser a larghezza di linea stretta della modalità longitudinale singola si ottiene accorciando la lunghezza del risonatore e aumentando l'intervallo della modalità longitudinale.Nel 2004, Spiegelberg et al.ottenuto un'uscita laser a larghezza di linea stretta in modalità longitudinale singola con una larghezza di linea di 2 kHz utilizzando il metodo a cavità corta DBR.Nel 2007, Shen et al.ha utilizzato una fibra di silicio pesantemente drogata con erbio da 2 cm per scrivere FBG su una fibra fotosensibile co-drogata Bi-Ge e l'ha fusa con una fibra attiva per formare una cavità lineare compatta, rendendo la larghezza della linea di uscita del laser inferiore a 1 kHz.Nel 2010, Yang et al.ha utilizzato una cavità lineare corta altamente drogata da 2 cm combinata con un filtro FBG a banda stretta per ottenere un'uscita laser in modalità longitudinale singola con una larghezza di linea inferiore a 2 kHz.Nel 2014, il team ha utilizzato una cavità lineare corta (risonatore ad anello ripiegato virtuale) combinata con un filtro FBG-FP per ottenere un'uscita laser con una larghezza di linea più stretta, come mostrato nella Figura 3. Nel 2012, Cai et al.ha utilizzato una struttura a cavità corta di 1,4 cm per ottenere un'uscita laser polarizzante con una potenza di uscita maggiore di 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.ha utilizzato lo scattering Brillouin di fibra drogata con erbio con una cavità ad anello corto di un dispositivo di conservazione della polarizzazione completa per ottenere un'uscita laser a basso rumore di fase a modalità longitudinale singola con una potenza di uscita di 10 mW.Nel 2015, il team ha utilizzato una cavità anulare composta da fibra drogata con erbio da 45 cm come mezzo di guadagno dello scattering Brillouin per ottenere un'uscita laser con soglia bassa e larghezza di linea ridotta.
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
Orario di pubblicazione: 20 novembre 2023