Технологија ласерског извора заоптичко влакноосећај први део
Технологија сензора оптичких влакана је врста сензорске технологије развијене заједно са технологијом оптичких влакана и технологијом комуникације оптичким влакнима и постала је једна од најактивнијих грана фотоелектричне технологије. Систем сензора оптичких влакана се углавном састоји од ласера, преносног влакна, сензорског елемента или подручја модулације, детекције светлости и других делова. Параметри који описују карактеристике светлосног таласа укључују интензитет, таласну дужину, фазу, стање поларизације итд. Ови параметри се могу променити спољним утицајима у преносу оптичких влакана. На пример, када температура, напрезање, притисак, струја, померање, вибрације, ротација, савијање и хемијске количине утичу на оптичку путању, ови параметри се мењају сходно томе. Сензор оптичких влакана се заснива на односу између ових параметара и спољних фактора како би се детектовале одговарајуће физичке величине.
Постоји много врсталасерски изворкористи се у системима за детекцију оптичких влакана, који се могу поделити у две категорије: кохерентниласерски извории некохерентни извори светлости, некохерентниизвори светлостиуглавном укључују инкандесцентне сијалице и светлосне диоде, а кохерентни извори светлости укључују чврсте ласере, течне ласере, гасне ласере,полупроводнички ласеривлакнасти ласерСледеће је углавном заизвор ласерске светлостиШироко коришћени у области оптичких сензора последњих година: једнофреквентни ласер уске ширине линије, ласер са једном таласном дужином и бели ласер.
1.1 Захтеви за уску ширину линијеизвори ласерске светлости
Систем за детекцију оптичких влакана не може се одвојити од ласерског извора, јер мерени светлосни талас носача сигнала, сам перформансе ласерског извора светлости, као што су стабилност снаге, ширина ласерске линије, фазни шум и други параметри у систему детекције оптичких влакана, играју одлучујућу улогу. Последњих година, са развојем система за детекцију оптичких влакана ултра високе резолуције на велике удаљености, академске заједнице и индустрија су поставиле строже захтеве за перформансе ширине линије минијатуризације ласера, углавном у: технологији рефлексије оптичког фреквентног домена (OFDR) која користи кохерентну технологију детекције за анализу сигнала расејаних по Рејлијевом распону оптичких влакана у фреквентном домену, са широким покривањем (хиљаде метара). Предности високе резолуције (милиметарска резолуција) и високе осетљивости (до -100 dBm) постале су једна од технологија са широким изгледима примене у дистрибуираној технологији мерења и детекције оптичких влакана. Суштина OFDR технологије је коришћење подесивог извора светлости за постизање подешавања оптичке фреквенције, тако да перформансе ласерског извора одређују кључне факторе као што су опсег детекције, осетљивост и резолуција OFDR-а. Када је растојање тачке рефлексије близу кохерентне дужине, интензитет сигнала откуцаја ће бити експоненцијално ослабљен коефицијентом τ/τc. За Гаусов извор светлости са спектралним обликом, како би се осигурало да фреквенција откуцаја има видљивост већу од 90%, однос између ширине линије извора светлости и максималне дужине детекције коју систем може да постигне је Lmax~0,04vg/f, што значи да је за влакно дужине 80 km ширина линије извора светлости мања од 100 Hz. Поред тога, развој других примена такође поставља веће захтеве за ширину линије извора светлости. На пример, у систему оптичких влакана са хидрофоном, ширина линије извора светлости одређује шум система, а такође одређује и минимални мерљиви сигнал система. Код Брилуеновог оптичког рефлектора у временском домену (BOTDR), резолуција мерења температуре и напона је углавном одређена ширином линије извора светлости. Код резонаторског оптичког жироскопа, кохерентна дужина светлосног таласа може се повећати смањењем ширине линије извора светлости, чиме се побољшава финоћа и дубина резонанције резонатора, смањује ширина линије резонатора и осигурава тачност мерења оптичког жироскопа.
1.2 Захтеви за изворе ласера са превлачењем
Ласер са једном таласном дужином има флексибилне перформансе подешавања таласне дужине, може заменити ласере са фиксном таласном дужином више излаза, смањити трошкове изградње система и неопходан је део система за детекцију оптичких влакана. На пример, код детекције трагова гасова помоћу влакана, различите врсте гасова имају различите врхове апсорпције гаса. Да би се осигурала ефикасност апсорпције светлости када је мерни гас довољан и постигла већа осетљивост мерења, неопходно је ускладити таласну дужину извора светлости за пренос са врхом апсорпције молекула гаса. Врста гаса која се може детектовати у суштини је одређена таласном дужином извора светлости за детекцију. Стога, ласери са уском ширином линије и стабилним перформансама подешавања широкопојасног опсега имају већу флексибилност мерења у таквим системима за детекцију. На пример, у неким дистрибуираним системима за детекцију оптичких влакана заснованим на рефлексији оптичког фреквентног домена, ласер мора бити брзо периодично подешен да би се постигла високо прецизна кохерентна детекција и демодулација оптичких сигнала, тако да брзина модулације ласерског извора има релативно високе захтеве, а брзина подешавања подесивог ласера обично мора достићи 10 pm/μs. Поред тога, ласер са подесивом таласном дужином и уском ширином линије може се широко користити у лиДАР-у, ласерском даљинском очитавању и спектралној анализи високе резолуције и другим областима очитавања. Да би се испунили захтеви за високим параметрима перформанси подешавања пропусног опсега, тачности подешавања и брзине подешавања ласера са једном таласном дужином у области оптичког очитавања, општи циљ проучавања подесивих влакнастих ласера са уском ширином последњих година је постизање високо прецизног подешавања у већем опсегу таласних дужина на основу тежње ка ултрауској ширини ласерске линије, ултра ниском фазном шуму и ултрастабилној излазној фреквенцији и снази.
1.3 Потражња за извором беле ласерске светлости
У области оптичког детектовања, висококвалитетни бели ласер је од великог значаја за побољшање перформанси система. Што је шири спектар покривања белог светлосног ласера, то је његова примена у оптичким системима за детекцију влакана већа. На пример, када се користи влакнаста Брегова решетка (FBG) за конструисање сензорске мреже, спектрална анализа или метода подударања подесивих филтера могу се користити за демодулацију. Прва је користила спектрометар за директно тестирање сваке резонантне таласне дужине FBG-а у мрежи. Друга користи референтни филтер за праћење и калибрацију FBG-а у детекцији, а оба захтевају широкопојасни извор светлости као тестни извор светлости за FBG. Пошто ће свака FBG приступна мрежа имати одређени губитак уметања и има пропусни опсег већи од 0,1 nm, истовремена демодулација више FBG-ова захтева широкопојасни извор светлости велике снаге и великог пропусног опсега. На пример, када се користи дугопериодична влакнаста решетка (LPFG) за детекцију, пошто је пропусни опсег једног врха губитка реда величине 10 nm, потребан је широкоспектрални извор светлости са довољним пропусним опсегом и релативно равним спектром да би се прецизно окарактерисале карактеристике његовог резонантног врха. Конкретно, акустична влакнаста решетка (AIFG) конструисана коришћењем акустооптичког ефекта може постићи опсег подешавања резонантне таласне дужине до 1000 nm помоћу електричног подешавања. Стога, динамичко тестирање решетке са тако ултрашироким опсегом подешавања представља велики изазов за опсег пропусног опсега широкоспектралног извора светлости. Слично томе, последњих година, нагнута Брегова влакнаста решетка се такође широко користи у области детекције влакана. Због својих карактеристика спектра губитака са више врхова, опсег расподеле таласних дужина обично може достићи 40 nm. Њен механизам детекције је обично упоређивање релативног кретања између више преносних врхова, тако да је неопходно потпуно измерити његов преносни спектар. Потребно је да пропусни опсег и снага широкоспектралног извора светлости буду већи.
2. Статус истраживања у земљи и иностранству
2.1 Ласерски извор светлости уске ширине линије
2.1.1 Полупроводнички ласер са дистрибуираном повратном спрегом и уском ширином линије
Клише и др. су 2006. године смањили MHz скалу полупроводникаДФБ ласер(дистрибуирани ласер са повратном спрегом) на kHz скалу коришћењем методе електричне повратне спреге; Кеслер и др. су 2011. године користили монокристалну шупљину ниске температуре и високе стабилности у комбинацији са активном контролом повратне спреге како би добили ултра-уску ширину ласерског снопа од 40 MHz; Пенг и др. су 2013. године добили полупроводнички ласерски сноп са ширином линије од 15 kHz коришћењем методе спољашњег подешавања повратне спреге Фабри-Пероа (FP). Метода електричне повратне спреге је углавном користила повратну спрегу стабилизације фреквенције Понд-Древер-Хола како би се смањила ширина ласерске линије извора светлости. Бернхарди и др. су 2010. године произвели 1 цм FBG од ербијума допираног алуминијум оксидом на подлози од силицијум оксида како би добили ласерски сноп са ширином линије од око 1,7 kHz. Исте године, Лианг и др. користили су повратну спрегу самоинјекције обрнутог Рејлијевог расејања формираног резонатором зида одјека високог Q фактора за компресију ширине линије полупроводничког ласера, као што је приказано на слици 1, и коначно добили ласерски излаз уске ширине линије од 160 Hz.
Сл. 1 (а) Дијаграм компресије ширине линије полупроводничког ласера засноване на самоинјекцији Рејлијевог расејања спољашњег резонатора шапутајуће галерије;
(б) Фреквентни спектар слободно радећег полупроводничког ласера са ширином линије од 8 MHz;
(ц) Фреквентни спектар ласера са ширином линије компресованом на 160 Hz
2.1.2 Влакнасти ласер уске ширине линије
Код линеарних влакнастих ласера са шупљином, ласерски сноп уске ширине линије једног лонгитудиналног мода добија се скраћивањем дужине резонатора и повећањем интервала лонгитудиналног мода. Године 2004, Шпигелберг и др. су добили ласерски сноп уске ширине линије једног лонгитудиналног мода са ширином линије од 2 kHz користећи DBR методу кратке шупљине. Године 2007, Шен и др. су користили силицијумско влакно од 2 цм јако допирано ербијумом да би написали FBG на фотосензитивном влакну ко-допираном Bi-Ge и спојили га са активним влакном да би формирали компактну линеарну шупљину, чинећи ширину њене ласерске излазне линије мањом од 1 kHz. Године 2010, Јанг и др. су користили кратку линеарну шупљину од 2 цм јако допирану у комбинацији са ускопојасним FBG филтером да би добили ласерски сноп једног лонгитудиналног мода са ширином линије мањом од 2 kHz. Године 2014, тим је користио кратку линеарну шупљину (виртуелни пресавијени прстенасти резонатор) у комбинацији са FBG-FP филтером како би добио ласерски излаз са ужом ширином линије, као што је приказано на слици 3. Године 2012, Цаи и др. су користили структуру кратке шупљине од 1,4 цм како би добили поларизујући ласерски излаз са излазном снагом већом од 114 mW, централном таласном дужином од 1540,3 nm и ширином линије од 4,1 kHz. Године 2013, Менг и др. су користили Брилуеново расејање влакана допираног ербијумом са кратком прстенастом шупљином уређаја са очувањем пуне поларности како би добили ласерски излаз са једним уздужним модом и ниским фазним шумом, излазном снагом од 10 mW. Године 2015, тим је користио прстенасту шупљину састављену од влакана допираног ербијумом од 45 цм2 као средство за појачање Брилуеновог расејања како би добио ласерски излаз са ниским прагом и уском ширином линије.
Сл. 2 (а) Шематски цртеж SLC влакнастог ласера;
(б) Облик линије хетеродинског сигнала мереног са кашњењем влакна од 97,6 км
Време објаве: 20. новембар 2023.