Технологија ласерског извора заоптичко влакноосетивши први део
Технологија сензора оптичких влакана је врста технологије сензора која је развијена заједно са технологијом оптичких влакана и комуникационом технологијом оптичких влакана, и постала је једна од најактивнијих грана фотоелектричне технологије.Сензорни систем оптичких влакана се углавном састоји од ласера, трансмисионих влакана, сензорног елемента или модулационе области, детекције светлости и других делова.Параметри који описују карактеристике светлосног таласа укључују интензитет, таласну дужину, фазу, стање поларизације, итд. Ови параметри могу бити промењени спољним утицајима у преносу оптичких влакана.На пример, када температура, деформација, притисак, струја, померање, вибрације, ротација, савијање и хемијска количина утичу на оптичку путању, ови параметри се мењају на одговарајући начин.Сензор оптичких влакана заснива се на односу између ових параметара и спољашњих фактора за откривање одговарајућих физичких величина.
Постоји много врсталасерски изворкористи се у системима сензора оптичких влакана, који се могу поделити у две категорије: кохерентниласерски извории некохерентни извори светлости, некохерентниизвори светлостиуглавном укључују жаруље и диоде које емитују светлост, а кохерентни извори светлости укључују чврсте ласере, течне ласере, гасне ласере,полупроводнички ласерифибер ласер.Следеће је углавном заласерски извор светлостикоји се последњих година широко користи у области сензора влакана: једнофреквентни ласер уске ширине линије, ласер фреквенције са једном таласном дужином и бели ласер.
1.1 Захтеви за уску ширину линијеласерски извори светлости
Сензорни систем оптичких влакана не може се одвојити од ласерског извора, јер измерени светлосни талас носиоца сигнала, перформансе самог извора ласерске светлости, као што су стабилност снаге, ширина ласерске линије, фазни шум и други параметри на удаљености детекције система оптичких влакана, детекција тачност, осетљивост и карактеристике буке играју одлучујућу улогу.Последњих година, са развојем система оптичких влакана ултра високе резолуције на даљину, академска заједница и индустрија су поставили строже захтеве за перформансе ласерске минијатуризације у ширини, углавном у: технологија рефлексије оптичког фреквенцијског домена (ОФДР) користи кохерентну технологија детекције за анализу берејлејевих расејаних сигнала оптичких влакана у фреквенцијском домену, са широким покривањем (хиљаде метара).Предности високе резолуције (резолуција на нивоу милиметра) и високе осетљивости (до -100 дБм) постале су једна од технологија са широким перспективама примене у технологији мерења и сенсинга дистрибуираних оптичких влакана.Срж ОФДР технологије је коришћење подесивог извора светлости за постизање оптичког подешавања фреквенције, тако да перформансе ласерског извора одређују кључне факторе као што су опсег детекције ОФДР, осетљивост и резолуција.Када је растојање тачке рефлексије близу дужине кохерентности, интензитет сигнала откуцаја ће бити експоненцијално ослабљен коефицијентом τ/τц.За Гаусов извор светлости са спектралним обликом, како би се обезбедило да фреквенција откуцаја има више од 90% видљивости, однос између ширине линије извора светлости и максималне дужине сенсинга коју систем може да постигне је Лмак~0,04вг /ф, што значи да је за влакно дужине 80 км ширина линије извора светлости мања од 100 Хз.Поред тога, развој других апликација такође поставља веће захтеве за ширину линије извора светлости.На пример, у систему хидрофона са оптичким влакнима, ширина извора светлости одређује шум система и такође одређује минимални мерљиви сигнал система.У Бриллоуин оптичком временском рефлектору (БОТДР), резолуција мерења температуре и напона је углавном одређена ширином линије извора светлости.У резонаторском жироскопу са оптичким влакнима, дужина кохерентности светлосног таласа се може повећати смањењем ширине линије извора светлости, чиме се побољшава финоћа и дубина резонатора резонатора, смањује се ширина линије резонатора и обезбеђује мерење тачност жироскопа са оптичким влакнима.
1.2 Захтеви за ласерске изворе с померањем
Ласер са једном таласном дужином има флексибилне перформансе подешавања таласне дужине, може заменити вишеструке излазне ласере фиксне таласне дужине, смањити трошкове изградње система, незаобилазан је део сензорског система оптичких влакана.На пример, у траговима гасних влакана, различите врсте гасова имају различите врхове апсорпције гаса.Да би се обезбедила ефикасност апсорпције светлости када је мерни гас довољан и постигла већа осетљивост мерења, потребно је ускладити таласну дужину извора светлости за пренос са апсорпционим пиком молекула гаса.Тип гаса који се може детектовати у суштини је одређен таласном дужином сензорног извора светлости.Због тога ласери уске ширине линије са стабилним перформансама широкопојасног подешавања имају већу флексибилност мерења у таквим системима сензора.На пример, у неким дистрибуираним системима за детекцију оптичких влакана заснованим на рефлексији оптичког фреквентног домена, ласер треба брзо и периодично да се помера да би се постигла кохерентна детекција и демодулација оптичких сигнала високе прецизности, тако да брзина модулације ласерског извора има релативно високе захтеве , а брзина померања подесивог ласера је обично потребна да достигне 10 пм/μс.Поред тога, ласер уске линије са подесивим таласним дужинама такође се може широко користити у лиДАР-у, ласерском даљинском детекцији и спектралној анализи високе резолуције и другим пољима сензора.Да би се испунили захтеви параметара високих перформанси подешавања пропусног опсега, тачности подешавања и брзине подешавања једноталасних ласера у области сенсинга влакнима, општи циљ проучавања подесивих ласера са влакнима уске ширине последњих година је постизање високе прецизно подешавање у већем опсегу таласних дужина на основу праћења ултра-уске ширине ласерске линије, ултра-ниског фазног шума и ултра-стабилне излазне фреквенције и снаге.
1.3 Потражња за извором беле ласерске светлости
У области оптичког сензора, висококвалитетни ласер беле светлости је од великог значаја за побољшање перформанси система.Што је шира покривеност спектра ласера беле светлости, то је обимнија његова примена у систему сензора оптичких влакана.На пример, када се користи влакнаста Браггова решетка (ФБГ) за конструисање сензорске мреже, спектрална анализа или метод подесивог упаривања филтера може се користити за демодулацију.Први је користио спектрометар да директно тестира сваку ФБГ резонантну таласну дужину у мрежи.Потоњи користи референтни филтер за праћење и калибрацију ФБГ-а у сенсингу, а оба захтевају широкопојасни извор светлости као тестни извор светлости за ФБГ.Пошто ће свака ФБГ приступна мрежа имати одређени губитак уметања и има пропусни опсег већи од 0,1 нм, истовремена демодулација више ФБГ захтева широкопојасни извор светлости велике снаге и великог пропусног опсега.На пример, када се користи дугопериодична влакнаста решетка (ЛПФГ) за сенсинг, пошто је пропусни опсег једног пика губитка реда реда 10 нм, потребан је извор светлости широког спектра са довољним пропусним опсегом и релативно равним спектром да би се тачно карактерисао његов резонантни вршне карактеристике.Конкретно, решетка акустичних влакана (АИФГ) конструисана коришћењем акусто-оптичког ефекта може постићи опсег подешавања резонантне таласне дужине до 1000 нм помоћу електричног подешавања.Стога, тестирање динамичких решетки са тако ултра-широким опсегом подешавања представља велики изазов за опсег ширине опсега извора светлости широког спектра.Слично томе, последњих година, нагнута решетка од Браггових влакана се такође широко користи у области детекције влакана.Због карактеристика спектра губитака са више врхова, опсег дистрибуције таласних дужина обично може да достигне 40 нм.Његов сензорски механизам је обично да упореди релативно кретање између вишеструких пикова преноса, тако да је неопходно у потпуности измерити његов спектар преноса.Потребно је да пропусни опсег и снага извора светлости широког спектра буду већи.
2. Статус истраживања у земљи и иностранству
2.1 Ласерски извор светлости уске линије
2.1.1 Полупроводнички дистрибуирани ласер са повратном спрегом уске линије
У 2006. Цлицхе ет ал.смањио МХз скалу полупроводникаДФБ ласер(дистрибуирани ласер повратне спреге) до кХз скале коришћењем методе електричне повратне спреге;У 2011, Кесслер ет ал.користи се монокристална шупљина ниске температуре и високе стабилности у комбинацији са активном контролом повратне спреге да би се добио ласерски излаз ултра уске ширине линије од 40 МХз;Пенг и сарадници су 2013. године добили полупроводнички ласерски излаз са ширином линије од 15 кХз коришћењем методе екстерног Фабри-Перотовог (ФП) подешавања повратне спреге.Метода електричне повратне спреге је углавном користила повратну везу стабилизације фреквенције Понд-Древер-Халл да би се смањила ширина ласерске линије извора светлости.Године 2010. Бернхарди ет ал.произвео 1 цм ербијум-допираног алуминијума ФБГ на подлози од силицијум оксида да би се добио ласерски излаз са ширином линије од око 1,7 кХз.Исте године, Лианг ет ал.користио повратну информацију о самоубризгавању Релејовог расејања уназад формираног од зидног резонатора високог К еха за компресију ширине линије полупроводника ласера, као што је приказано на слици 1, и коначно добио ласерски излаз уске ширине линије од 160 Хз.
Слика 1 (а) Дијаграм компресије ширине линије полупроводничког ласера заснованог на Рејлијевом расејању спољашњег резонатора шаптајуће галерије;
(б) Фреквенцијски спектар слободног полупроводничког ласера са ширином линије од 8 МХз;
(ц) Фреквенцијски спектар ласера са ширином линије компресованом на 160 Хз
2.1.2 Ласер са влакнима уске ширине линије
За ласере са влакнима са линеарном шупљином, излаз ласера са уском ширином линије једноструког уздужног мода се добија скраћивањем дужине резонатора и повећањем интервала уздужних модова.2004. Спиегелберг ет ал.добио је један уздужни мод ласерског излаза уске ширине линије са ширином линије од 2 кХз коришћењем ДБР методе кратке шупљине.Године 2007. Схен ет ал.користио је силиконско влакно пречника 2 цм јако ербијумом за писање ФБГ-а на фотоосетљиво влакно допирано Би-Ге и спојио га са активним влакном да би формирао компактну линеарну шупљину, чинећи ширину излазне линије ласера мањом од 1 кХз.Године 2010. Ианг ет ал.користио је 2цм високо допирану кратку линеарну шупљину у комбинацији са ускопојасним ФБГ филтером да би добио један ласерски излаз уздужног мода са ширином линије мањом од 2 кХз.У 2014. години, тим је користио кратку линеарну шупљину (виртуелни резонатор са савијеним прстеном) у комбинацији са ФБГ-ФП филтером да би добио ласерски излаз са ужом ширином линије, као што је приказано на слици 3. У 2012, Цаи ет ал.користио је структуру кратке шупљине од 1,4 цм да би добио поларизациони ласерски излаз са излазном снагом већом од 114 мВ, централном таласном дужином од 1540,3 нм и ширином линије од 4,1 кХз.У 2013, Менг ет ал.користио је Брилуеново расејање влакана допираног ербијумом са кратком прстенастом шупљином уређаја за очување пуног преднапона да би се добио ласерски излаз ниске фазе шума у једном уздужном режиму са излазном снагом од 10 мВ.У 2015. години, тим је користио прстенасту шупљину састављену од влакана допираног ербијумом од 45 цм као медиј за појачање Бриллоуиновог расејања да би се добио ласерски излаз ниског прага и уске ширине линије.
Слика 2 (а) Шематски цртеж СЛЦ ласера са влакнима;
(б) Облик линије хетеродинског сигнала измерен са кашњењем влакана од 97,6 км
Време поста: 20.11.2023