Технологија на ласерски извор заоптички влакнасензори Прв дел
Технологијата за сензори со оптички влакна е вид на технологија за сензори развиена заедно со технологијата со оптички влакна и технологијата за комуникација со оптички влакна и стана една од најактивните гранки на фотоелектричната технологија. Системот за сензори со оптички влакна е главно составен од ласер, преносно влакно, сензорски елемент или област на модулација, детекција на светлина и други делови. Параметрите што ги опишуваат карактеристиките на светлинскиот бран вклучуваат интензитет, бранова должина, фаза, состојба на поларизација итн. Овие параметри можат да се променат од надворешни влијанија при преносот со оптички влакна. На пример, кога температурата, напрегањето, притисокот, струјата, поместувањето, вибрациите, ротацијата, свиткувањето и хемиската количина влијаат на оптичката патека, овие параметри се менуваат соодветно. Сензорот со оптички влакна се базира на односот помеѓу овие параметри и надворешните фактори за да се детектираат соодветните физички величини.
Постојат многу видови наласерски изворсе користи во системи за сензори со оптички влакна, кои можат да се поделат во две категории: кохерентниласерски извории некохерентни извори на светлина, некохерентниизвори на светлинаглавно вклучуваат блескаво светло и диоди што емитуваат светлина, а кохерентните извори на светлина вклучуваат цврсти ласери, течни ласери, гасни ласери,полупроводнички ласерифибер ласерСледново е главно заласерски извор на светлинаШироко користени во областа на оптичко мерење во последниве години: ласер со тесна ширина на линија со една фреквенција, ласер со една бранова должина со фреквенција на движење и бел ласер.
1.1 Барања за тесна ширина на линијаталасерски извори на светлина
Системот за мерење на оптички влакна не може да се одвои од ласерскиот извор, бидејќи мерениот светлосен бран на носачот на сигнал, перформансите на самиот ласерски извор на светлина, како што се стабилноста на моќноста, ширината на линијата на ласерот, фазниот шум и други параметри на растојанието за детекција на системот за мерење на оптички влакна, точноста на детекцијата, чувствителноста и карактеристиките на шумот играат одлучувачка улога. Во последниве години, со развојот на системи за мерење на долги растојанија со ултра висока резолуција со оптички влакна, академијата и индустријата поставија построги барања за перформансите на ширината на линијата на ласерската минијатуризација, главно во: технологијата за рефлексија на оптички фреквентен домен (OFDR) користи кохерентна технологија за детекција за анализа на расфрланите сигнали на задната зрака на оптичките влакна во фреквентниот домен, со широк опфат (илјадници метри). Предностите на високата резолуција (резолуција на милиметарско ниво) и високата чувствителност (до -100 dBm) станаа една од технологиите со широки перспективи за примена во мерењето и технологијата за мерење со дистрибуирани оптички влакна. Јадрото на OFDR технологијата е да користи подеслив извор на светлина за да се постигне подесување на оптичката фреквенција, така што перформансите на ласерскиот извор ги одредуваат клучните фактори како што се опсегот на детекција на OFDR, чувствителноста и резолуцијата. Кога растојанието до точката на рефлекција е блиску до должината на кохерентноста, интензитетот на сигналот на ритамот ќе биде експоненцијално ослабен за коефициентот τ/τc. За гаусов извор на светлина со спектрална форма, за да се обезбеди дека фреквенцијата на ритамот има видливост поголема од 90%, односот помеѓу ширината на линијата на изворот на светлина и максималната должина на сензорот што системот може да ја постигне е Lmax~0,04vg/f, што значи дека за влакно со должина од 80 km, ширината на линијата на изворот на светлина е помала од 100 Hz. Покрај тоа, развојот на други апликации, исто така, постави повисоки барања за ширината на линијата на изворот на светлина. На пример, во хидрофонскиот систем со оптички влакна, ширината на линијата на изворот на светлина го одредува шумот на системот, а исто така го одредува и минималниот мерлив сигнал на системот. Во оптичкиот рефлектор на временскиот домен Брилуен (BOTDR), резолуцијата на мерење на температурата и напрегањето главно се одредува од ширината на линијата на изворот на светлина. Во резонаторски жироскоп со оптички влакна, кохерентната должина на светлинскиот бран може да се зголеми со намалување на ширината на линијата на изворот на светлина, со што се подобрува финоста и длабочината на резонанцата на резонаторот, се намалува ширината на линијата на резонаторот и се обезбедува точноста на мерењето на жироскопот со оптички влакна.
1.2 Барања за извори на ласерски зраци со скенирање
Ласерот со една бранова должина има флексибилни перформанси на подесување на брановата должина, може да ги замени повеќекратните излезни ласери со фиксна бранова должина, да ги намали трошоците за изградба на системот и е неопходен дел од системот за мерење со оптички влакна. На пример, кај мерењето со траги од гасни влакна, различните видови гасови имаат различни врвови на апсорпција на гас. За да се обезбеди ефикасност на апсорпција на светлина кога гасот за мерење е доволен и да се постигне поголема чувствителност на мерењето, потребно е да се усогласи брановата должина на изворот на преносна светлина со врвот на апсорпција на молекулата на гас. Видот на гас што може да се детектира во суштина е определен од брановата должина на изворот на сензорска светлина. Затоа, ласерите со тесна ширина на линијата со стабилни перформанси на широкопојасно подесување имаат поголема флексибилност на мерењето во ваквите системи за мерење. На пример, кај некои дистрибуирани системи за мерење со оптички влакна базирани на рефлексија на оптички фреквентен домен, ласерот треба брзо периодично да се поместува за да се постигне високопрецизна кохерентна детекција и демодулација на оптички сигнали, така што стапката на модулација на ласерскиот извор има релативно високи барања, а брзината на поместување на прилагодливиот ласер обично се бара да достигне 10 pm/μs. Покрај тоа, ласерите со тесна ширина на линијата што може да се подесуваат со бранова должина може широко да се користат и во liDAR, ласерско далечинско набљудување и спектрална анализа со висока резолуција и други области на сензорирање. Со цел да се задоволат барањата за високи перформанси на параметрите за подесување на пропусниот опсег, точноста на подесувањето и брзината на подесување на ласерите со една бранова должина во областа на оптичкото сензорирање, главната цел на проучувањето на подесливите ласери со тесна ширина на влакната во последниве години е да се постигне високопрецизно подесување во поголем опсег на бранова должина врз основа на следење на ултра-тесна ширина на линијата на ласер, ултра-низок фазен шум и ултрастабилна излезна фреквенција и моќност.
1.3 Побарувачка за извор на бела ласерска светлина
Во областа на оптичкото мерење, висококвалитетниот ласер со бела светлина е од големо значење за подобрување на перформансите на системот. Колку е поширока спектралната покриеност на белиот ласер, толку е пообемна неговата примена во систем за мерење со оптички влакна. На пример, кога се користи фибер Брегова решетка (FBG) за изградба на сензорска мрежа, за демодулација може да се користи спектрална анализа или метод на подесиво поврзување на филтерот. Првиот користел спектрометр за директно тестирање на секоја резонантна бранова должина на FBG во мрежата. Вториот користи референтен филтер за следење и калибрирање на FBG во мерењето, при што и двете бараат широкопојасен извор на светлина како тест извор на светлина за FBG. Бидејќи секоја пристапна мрежа на FBG ќе има одредена загуба на вметнување и има пропусен опсег поголем од 0,1 nm, истовремената демодулација на повеќе FBG бара широкопојасен извор на светлина со голема моќност и висок пропусен опсег. На пример, кога се користи долгопериодна фибер решетка (LPFG) за сензори, бидејќи пропусниот опсег на еден врв на загуба е од редот на 10 nm, потребен е широкоспектрен извор на светлина со доволен пропусен опсег и релативно рамен спектар за прецизно да се карактеризираат неговите резонантни карактеристики на врвовите. Особено, акустичната фибер решетка (AIFG) конструирана со користење на акусто-оптички ефект може да постигне опсег на подесување на резонантна бранова должина до 1000 nm со помош на електрично подесување. Затоа, динамичкото тестирање на решетка со таков ултра-широк опсег на подесување претставува голем предизвик за опсегот на пропусен опсег на извор на светлина со широк спектар. Слично на тоа, во последниве години, навалената Брегова фибер решетка е исто така широко користена во областа на сензорите со влакна. Поради нејзините карактеристики на спектарот на загуба со повеќе врвови, опсегот на распределба на брановата должина обично може да достигне 40 nm. Неговиот механизам на сензори е обично да го спореди релативното движење помеѓу повеќе врвови на пренос, па затоа е потребно целосно да се измери неговиот спектар на пренос. Пропусниот опсег и моќноста на широкоспектрниот извор на светлина се бара да бидат повисоки.
2. Истражувачки статус дома и во странство
2.1 Ласерски извор на светлина со тесна ширина на линијата
2.1.1 Тесен полупроводнички ласер со дистрибуирана повратна информација
Во 2006 година, Клише и сор. ја намалија скалата на MHz на полупроводничкиотDFB ласер(ласер со дистрибуирана повратна информација) на kHz скала користејќи метод на електрична повратна информација; Во 2011 година, Кеслер и сор. користеа ниска температура и висока стабилност на монокристална шуплина во комбинација со активна контрола на повратна информација за да добијат ултра-тесен излез на ласер со ширина на линијата од 40 MHz; Во 2013 година, Пенг и сор. добија полупроводнички ласерски излез со ширина на линијата од 15 kHz користејќи го методот на надворешно прилагодување на повратната информација Фабри-Перо (FP). Методот на електрична повратна информација главно ја користеше повратната информација за стабилизација на фреквенцијата Понд-Древер-Хол за да се намали ширината на линијата на ласерот на изворот на светлина. Во 2010 година, Бернхарди и сор. произведоа 1 cm FBG од алуминиум оксид допиран со ербиум на супстрат од силициум оксид за да добијат ласерски излез со ширина на линијата од околу 1,7 kHz. Истата година, Лианг и сор. користен е самоинјектирачкиот фидбек на обратно Рејлиево расејување формиран од резонатор со ѕид со висок Q ехо за компресија на ширина на линијата на полупроводнички ласер, како што е прикажано на Слика 1, и конечно се добива ласерски излез со тесна ширина на линијата од 160 Hz.
Сл. 1 (а) Дијаграм на компресија на линиска ширина на полупроводнички ласер врз основа на самоинјектирање на Рејлиево расејување на надворешен резонатор во шепотечки галериски режим;
(б) Фреквенциски спектар на слободно движечкиот полупроводнички ласер со ширина на линијата од 8 MHz;
(в) Фреквенциски спектар на ласерот со ширина на линијата компресирана на 160 Hz
2.1.2 Тесен ласерски оптички ласер
За линеарни влакнести ласери, излезот на ласер со тесна ширина на линијата во еден лонгитудинален режим се добива со скратување на должината на резонаторот и зголемување на интервалот на лонгитудиналниот режим. Во 2004 година, Шпигелберг и сор. добија излез на ласер со тесна ширина на линијата во еден лонгитудинален режим со ширина на линијата од 2 kHz користејќи го методот на кратка празнина DBR. Во 2007 година, Шен и сор. користеа силиконско влакно од 2 cm силно допирано со ербиум за да напишат FBG на Bi-Ge ко-допирано фотосензитивно влакно и го споија со активно влакно за да формираат компактна линеарна празнина, правејќи ја ширината на линијата на излезот на ласерот помала од 1 kHz. Во 2010 година, Јанг и сор. користеа 2 cm високо допирана кратка линеарна празнина во комбинација со теснопојасен FBG филтер за да добијат излез на ласер со еден лонгитудинален режим со ширина на линијата помала од 2 kHz. Во 2014 година, тимот користел кратка линеарна празнина (виртуелен преклопен прстенест резонатор) во комбинација со FBG-FP филтер за да добие ласерски излез со потесна ширина на линијата, како што е прикажано на Слика 3. Во 2012 година, Каи и сор. користеле структура со кратка празнина од 1,4 cm за да добијат поларизирачки ласерски излез со излезна моќност поголема од 114 mW, централна бранова должина од 1540,3 nm и ширина на линијата од 4,1 kHz. Во 2013 година, Менг и сор. користеле Брилуино расејување на влакно допирано со ербиум со кратка прстенеста празнина на уред со целосно зачувување на поларитетот за да добијат ласерски излез со низок фазен шум во еден лонгитудинален режим со излезна моќност од 10 mW. Во 2015 година, тимот користел прстенеста празнина составена од влакно допирано со ербиум од 45 cm како медиум за засилување на расејувањето Брилуино за да добие ласерски излез со низок праг и тесна ширина на линијата.
Сл. 2 (а) Шематски цртеж на SLC фибер ласерот;
(б) Линиски облик на хетеродинскиот сигнал мерен со оптичко задоцнување од 97,6 км
Време на објавување: 20 ноември 2023 година