Tecnologia della sorgente laser perfibra otticarilevamento Parte prima
La tecnologia di rilevamento a fibra ottica è una tecnologia di rilevamento sviluppatasi parallelamente alla tecnologia delle fibre ottiche e alla tecnologia di comunicazione a fibra ottica, ed è diventata uno dei rami più attivi della tecnologia fotoelettrica. Un sistema di rilevamento a fibra ottica è composto principalmente da laser, fibra di trasmissione, elemento di rilevamento o area di modulazione, rilevatore di 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 durante la trasmissione nella fibra ottica. Ad esempio, quando temperatura, deformazione, pressione, corrente, spostamento, vibrazione, rotazione, flessione e quantità di sostanze chimiche influenzano il percorso ottico, questi parametri cambiano di conseguenza. Il rilevamento a fibra ottica si basa sulla relazione tra questi parametri e i fattori esterni per rilevare le corrispondenti grandezze fisiche.
Esistono molti tipi disorgente laserutilizzati nei sistemi di rilevamento a fibra ottica, che possono essere suddivisi in due categorie: coerentisorgenti lasere sorgenti luminose incoerenti, incoerentisorgenti luminoseincludono principalmente luce incandescente e diodi a emissione di luce, e le sorgenti di luce coerente includono laser a stato solido, laser a liquido, laser a gas,laser a semiconduttoreElaser a fibra. Quanto segue è principalmente per ilsorgente luminosa laserNegli ultimi anni, nel campo della sensoristica a fibra ottica, sono ampiamente utilizzati: laser a frequenza singola con larghezza di linea ridotta, laser a frequenza di scansione a lunghezza d'onda singola e laser a luce bianca.
1.1 Requisiti per la larghezza di riga ridottasorgenti luminose laser
Il sistema di rilevamento a fibra ottica non può essere separato dalla sorgente laser, poiché l'onda luminosa portante del segnale misurato e le prestazioni della sorgente laser stessa, come la stabilità di potenza, la larghezza di riga del laser, il rumore di fase e altri parametri, giocano un ruolo decisivo sulla distanza di rilevamento, la precisione di rilevamento, la sensibilità e le caratteristiche di rumore del sistema di rilevamento a fibra ottica. Negli ultimi anni, con lo sviluppo di sistemi di rilevamento a fibra ottica ad altissima risoluzione e a lunga distanza, il mondo accademico e l'industria hanno imposto requisiti più stringenti per le prestazioni di larghezza di riga della miniaturizzazione laser, principalmente in: la tecnologia di riflessione nel dominio della frequenza ottica (OFDR) utilizza la tecnologia di rilevamento coerente per analizzare i segnali di retrodiffusione di Rayleigh delle fibre ottiche nel dominio della frequenza, con un'ampia copertura (migliaia di metri). I vantaggi di alta risoluzione (risoluzione a livello millimetrico) e alta sensibilità (fino a -100 dBm) sono diventati una delle tecnologie con ampie prospettive di applicazione nella tecnologia di misurazione e rilevamento distribuita a 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 come la portata di rilevamento OFDR, la sensibilità e la risoluzione. Quando la distanza del punto di riflessione è prossima alla lunghezza di coerenza, l'intensità del segnale di battimento viene attenuata esponenzialmente dal coefficiente τ/τc. Per una sorgente luminosa gaussiana con una forma spettrale, al fine di garantire che la frequenza di battimento abbia una visibilità superiore al 90%, la relazione tra la larghezza di riga della sorgente luminosa e la lunghezza di rilevamento massima raggiungibile dal sistema è Lmax~0,04vg/f, il che significa che per una fibra di 80 km di lunghezza, la larghezza di riga della sorgente luminosa è inferiore a 100 Hz. Inoltre, lo sviluppo di altre applicazioni impone requisiti più elevati per la larghezza di riga della sorgente luminosa. Ad esempio, nel sistema idrofonico a fibra ottica, la larghezza di riga della sorgente luminosa determina il rumore del sistema e anche il segnale minimo misurabile dal sistema. Nel riflettore ottico nel dominio del tempo di Brillouin (BOTDR), la risoluzione di misura della temperatura e della sollecitazione è determinata principalmente dalla larghezza di riga della sorgente luminosa. In un giroscopio a fibra ottica risonante, la lunghezza di coerenza dell'onda luminosa può essere aumentata riducendo la larghezza di riga della sorgente luminosa, migliorando così la finezza e la profondità di risonanza del risonatore, riducendo la larghezza di riga del risonatore e garantendo la precisione di misura del giroscopio a fibra ottica.
1.2 Requisiti per le sorgenti laser a scansione
Il laser a scansione di lunghezza d'onda singola offre prestazioni di sintonizzazione della lunghezza d'onda flessibili, può sostituire laser a lunghezza d'onda fissa con uscite multiple, riduce i costi di costruzione del sistema ed è una parte indispensabile dei sistemi di rilevamento a fibra ottica. Ad esempio, nel rilevamento di gas in tracce tramite fibra ottica, diversi tipi di gas presentano diversi picchi di assorbimento. Per garantire l'efficienza di assorbimento della luce quando il gas da misurare 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 riga 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 a fibra ottica distribuiti basati sulla riflessione nel dominio della frequenza ottica, il laser deve essere scansionato periodicamente rapidamente 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 deve solitamente raggiungere i 10 pm/μs. Inoltre, il laser a larghezza di riga stretta e sintonizzabile in lunghezza d'onda può essere ampiamente utilizzato anche in liDAR, telerilevamento laser, analisi spettrale ad alta risoluzione e altri campi di rilevamento. Al fine di soddisfare i requisiti di elevati parametri prestazionali di larghezza di banda, precisione e velocità di sintonizzazione dei laser a singola lunghezza d'onda nel campo del rilevamento a fibra, l'obiettivo generale dello studio dei laser a fibra a larghezza di riga stretta e sintonizzabile negli ultimi anni è quello di ottenere una sintonizzazione ad alta precisione in un intervallo di lunghezze d'onda più ampio, sulla base della ricerca di una larghezza di riga laser ultra-stretta, un rumore di fase ultra-basso e una frequenza e potenza di uscita ultra-stabili.
1.3 Domanda di sorgenti luminose laser bianche
Nel campo del rilevamento ottico, un laser a luce bianca di alta qualità riveste grande importanza per migliorare le prestazioni del sistema. Maggiore è la copertura spettrale del laser a luce bianca, più estesa sarà la sua applicazione nei sistemi di rilevamento a fibra ottica. Ad esempio, quando si utilizza un reticolo di Bragg in fibra (FBG) per costruire una rete di sensori, per la demodulazione si possono utilizzare l'analisi spettrale o il metodo di adattamento del filtro sintonizzabile. Il primo metodo utilizza uno spettrometro per testare direttamente ciascuna lunghezza d'onda di risonanza dell'FBG nella rete. Il secondo utilizza un filtro di riferimento per tracciare e calibrare l'FBG nel rilevamento; entrambi i metodi richiedono una sorgente luminosa a banda larga come sorgente di luce di test per l'FBG. Poiché ogni FBG di accesso alla rete presenta 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 ampia larghezza di banda. Ad esempio, quando si utilizza un reticolo di diffrazione 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 caratteristiche del suo picco di risonanza. In particolare, il reticolo di diffrazione acustico a fibra (AIFG), realizzato utilizzando l'effetto acusto-ottico, può raggiungere un intervallo di sintonizzazione della lunghezza d'onda di risonanza fino a 1000 nm mediante sintonizzazione elettrica. Pertanto, il test dinamico del reticolo con un intervallo di sintonizzazione così ampio rappresenta una grande sfida per l'intervallo di larghezza di banda di una sorgente luminosa ad ampio spettro. Analogamente, negli ultimi anni, anche il reticolo di Bragg inclinato a fibra è stato ampiamente utilizzato nel campo del rilevamento a fibra. Grazie alle sue caratteristiche di spettro di perdita a picchi multipli, 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 misurare completamente il suo 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 riga ridotta
2.1.1 Laser a semiconduttore a feedback distribuito a larghezza di riga ridotta
Nel 2006, Cliche et al. hanno ridotto la scala MHz dei semiconduttoriLaser DFB(laser a feedback distribuito) alla scala kHz utilizzando il metodo di feedback elettrico; Nel 2011, Kessler et al. hanno utilizzato una cavità a cristallo singolo a bassa temperatura e alta stabilità combinata con il controllo di feedback attivo per ottenere un'uscita laser a larghezza di riga ultra-stretta di 40 MHz; Nel 2013, Peng et al. hanno ottenuto un'uscita laser a semiconduttore con una larghezza di riga di 15 kHz utilizzando il metodo di regolazione del feedback Fabry-Perot (FP) esterno. Il metodo di feedback elettrico ha utilizzato principalmente il feedback di stabilizzazione della frequenza Pond-Drever-Hall per ridurre la larghezza di riga laser della sorgente luminosa. Nel 2010, Bernhardi et al. hanno 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 riga di circa 1,7 kHz. Nello stesso anno, Liang et al. è stato utilizzato il feedback di auto-iniezione della diffusione di Rayleigh all'indietro formato da un risonatore a parete di eco ad alto Q per la compressione della larghezza di riga del laser a semiconduttore, come mostrato in Figura 1, e infine è stata ottenuta un'uscita laser a larghezza di riga stretta di 160 Hz.
Figura 1 (a) Diagramma della compressione della larghezza di riga del laser a semiconduttore basata sulla diffusione di Rayleigh auto-iniettata del risonatore esterno in modalità galleria di sussurri;
(b) Spettro di frequenza del laser a semiconduttore a funzionamento libero con larghezza di riga di 8 MHz;
(c) Spettro di frequenza del laser con larghezza di riga compressa a 160 Hz
2.1.2 Laser a fibra a larghezza di linea ridotta
Per i laser a fibra con cavità lineare, l'uscita laser a larghezza di riga stretta in singolo modo longitudinale si ottiene accorciando la lunghezza del risonatore e aumentando l'intervallo tra i modi longitudinali. Nel 2004, Spiegelberg et al. hanno ottenuto un'uscita laser a larghezza di riga stretta in singolo modo longitudinale con una larghezza di riga di 2 kHz utilizzando il metodo della cavità corta DBR. Nel 2007, Shen et al. hanno utilizzato una fibra di silicio fortemente drogata con erbio di 2 cm per scrivere FBG su una fibra fotosensibile co-drogata con Bi-Ge e l'hanno fusa con una fibra attiva per formare una cavità lineare compatta, rendendo la larghezza di riga dell'uscita laser inferiore a 1 kHz. Nel 2010, Yang et al. hanno utilizzato una cavità lineare corta altamente drogata di 2 cm combinata con un filtro FBG a banda stretta per ottenere un'uscita laser in singolo modo longitudinale con una larghezza di riga inferiore a 2 kHz. Nel 2014, il team ha utilizzato una cavità lineare corta (risonatore ad anello piegato virtuale) combinata con un filtro FBG-FP per ottenere un'uscita laser con una larghezza di riga più stretta, come mostrato in Figura 3. Nel 2012, Cai et al. hanno utilizzato una struttura a cavità corta di 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 riga di 4,1 kHz. Nel 2013, Meng et al. hanno utilizzato la diffusione Brillouin di una fibra drogata con erbio con una cavità ad anello corta di un dispositivo a conservazione della polarizzazione completa per ottenere un'uscita laser a singolo modo longitudinale, a basso rumore di fase, con una potenza di uscita di 10 mW. Nel 2015, il team ha utilizzato una cavità ad anello composta da 45 cm di fibra drogata con erbio come mezzo di guadagno per la diffusione Brillouin per ottenere un'uscita laser a bassa soglia e larghezza di riga stretta.
Figura 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 novembre 2023