Lézerforrás-technológiaoptikai szálérzékelés első rész
Az optikai szálas érzékelési technológia egy olyan érzékelési technológia, amelyet az optikai szálas technológiával és az optikai szálas kommunikációs technológiával együtt fejlesztettek ki, és a fotoelektromos technológia egyik legaktívabb ágává vált. Az optikai szálas érzékelő rendszer főként lézerből, adószálból, érzékelő elemből vagy modulációs területből, fényérzékelésből és egyéb alkatrészekből áll. A fényhullám jellemzőit leíró paraméterek közé tartozik az intenzitás, a hullámhossz, a fázis, a polarizációs állapot stb. Ezeket a paramétereket az optikai átvitel során külső tényezők befolyásolhatják. Például, amikor a hőmérséklet, a feszültség, a nyomás, az áram, az elmozdulás, a rezgés, a forgás, a hajlítás és a kémiai mennyiség befolyásolja az optikai utat, ezek a paraméterek ennek megfelelően változnak. Az optikai szálas érzékelés ezen paraméterek és a külső tényezők közötti kapcsolaton alapul, hogy érzékelje a megfelelő fizikai mennyiségeket.
Sokféle típus léteziklézerforrásoptikai szálas érzékelő rendszerekben használják, amelyek két kategóriába sorolhatók: koherenslézerforrásokés inkoherens fényforrások, inkoherensfényforrásokfőként izzólámpákat és fénykibocsátó diódákat tartalmaznak, a koherens fényforrások pedig szilárd halmazállapotú lézereket, folyadéklézereket, gázlézereket,félvezető lézerésszálas lézerA következő főként a következőkre vonatkozik:lézerfényforrásAz utóbbi években széles körben használták a szálérzékelés területén: keskeny vonalszélességű, egyfrekvenciás lézer, egyhullámú söprésfrekvenciás lézer és fehér lézer.
1.1 Keskeny vonalszélesség követelményeilézerfényforrások
Az optikai szálas érzékelő rendszer nem választható el a lézerforrástól, mivel a mért jelhordozó fényhullám, a lézerfényforrás teljesítménye, mint például a teljesítménystabilitás, a lézer vonalszélessége, a fáziszaj és egyéb paraméterek döntő szerepet játszanak az optikai szálas érzékelő rendszer érzékelési távolságában, az érzékelési pontosságban, az érzékenységben és a zajjellemzőkben. Az elmúlt években a nagy távolságú, ultra-nagy felbontású optikai szálas érzékelő rendszerek fejlődésével az akadémiai és ipari szféra szigorúbb követelményeket támasztott a lézeres miniatürizálás vonalszélesség-teljesítményével szemben, főként az alábbiak terén: az optikai frekvenciatartomány-reflexiós (OFDR) technológia koherens detektálási technológiát alkalmaz az optikai szálak visszaverődő szórt jeleinek elemzésére a frekvenciatartományban, széles lefedettséggel (több ezer méter). A nagy felbontás (milliméteres szintű felbontás) és a nagy érzékenység (akár -100 dBm) előnyei az egyik széles körű alkalmazási lehetőségekkel rendelkező technológiává váltak az elosztott optikai szálas mérési és érzékelési technológiában. Az OFDR technológia lényege, hogy hangolható fényforrást használ az optikai frekvenciahangolás eléréséhez, így a lézerforrás teljesítménye határozza meg az olyan kulcsfontosságú tényezőket, mint az OFDR érzékelési tartománya, érzékenysége és felbontása. Amikor a reflexiós pont távolsága közel van a koherenciahosszhoz, a lebegésjel intenzitása exponenciálisan csökken a τ/τc együtthatóval. Egy spektrális alakú Gauss-fényforrás esetében annak érdekében, hogy a lebegési frekvencia láthatósága meghaladja a 90%-ot, a fényforrás vonalszélessége és a rendszer által elérhető maximális érzékelési hossz közötti összefüggés Lmax~0,04vg/f, ami azt jelenti, hogy egy 80 km hosszú szál esetében a fényforrás vonalszélessége kisebb, mint 100 Hz. Ezenkívül más alkalmazások fejlesztése is magasabb követelményeket támaszt a fényforrás vonalszélességével szemben. Például az optikai szálas hidrofonrendszerben a fényforrás vonalszélessége határozza meg a rendszerzajt, valamint a rendszer minimálisan mérhető jelét. A Brillouin optikai időtartományú reflektorban (BOTDR) a hőmérséklet és a feszültség mérési felbontását főként a fényforrás vonalszélessége határozza meg. Egy rezonátoros száloptikai giroszkópban a fényhullám koherenciahossza növelhető a fényforrás vonalszélességének csökkentésével, ezáltal javítva a rezonátor finomságát és rezonancia-mélységét, csökkentve a rezonátor vonalszélességét, és biztosítva a száloptikai giroszkóp mérési pontosságát.
1.2 A söprő lézerforrásokra vonatkozó követelmények
Az egyhullámú pásztázó lézer rugalmas hullámhossz-hangolási teljesítménnyel rendelkezik, több kimenetű fix hullámhosszú lézert helyettesíthet, csökkentheti a rendszer felépítésének költségeit, és nélkülözhetetlen része az optikai érzékelő rendszernek. Például a nyomkövető gáz szálas érzékelésnél a különböző gázfajták eltérő gázelnyelési csúcsokkal rendelkeznek. Annak érdekében, hogy elegendő mérőgáz esetén a fényelnyelési hatékonyságot biztosítsuk, és nagyobb mérési érzékenységet érjünk el, a transzmissziós fényforrás hullámhosszát a gázmolekula abszorpciós csúcsához kell igazítani. A detektálható gáz típusát lényegében az érzékelő fényforrás hullámhossza határozza meg. Ezért a stabil szélessávú hangolási teljesítménnyel rendelkező keskeny vonalszélességű lézerek nagyobb mérési rugalmassággal rendelkeznek az ilyen érzékelő rendszerekben. Például egyes elosztott optikai szálas érzékelő rendszerekben, amelyek optikai frekvenciatartomány-reflexión alapulnak, a lézert gyorsan, periodikusan pásztázni kell az optikai jelek nagy pontosságú koherens detektálása és demodulálása érdekében, ezért a lézerforrás modulációs sebességével szemben viszonylag magasak a követelmények, és az állítható lézer pásztázási sebességének általában el kell érnie a 10 pm/μs értéket. Ezenkívül a hullámhosszon hangolható keskeny vonalszélességű lézer széles körben alkalmazható liDAR-ban, lézeres távérzékelésben, nagy felbontású spektrális analízisben és más érzékelési területeken is. Annak érdekében, hogy a szálérzékelés területén az egyhullámú lézerek hangolási sávszélességére, hangolási pontosságára és hangolási sebességére vonatkozó nagy teljesítményű paraméterekre vonatkozó követelményeknek megfeleljenek, a hangolható keskeny szélességű szálas lézerek tanulmányozásának átfogó célja az elmúlt években a nagy pontosságú hangolás elérése nagyobb hullámhossztartományban, ultrakeskeny lézervonalszélesség, ultraalacsony fáziszaj, valamint ultrastabil kimeneti frekvencia és teljesítmény elérésére törekedve.
1.3 A fehér lézerfényforrás iránti kereslet
Az optikai érzékelés területén a kiváló minőségű fehér fénylézer nagy jelentőséggel bír a rendszer teljesítményének javítása szempontjából. Minél szélesebb a fehér fénylézer spektrumlefedettsége, annál kiterjedtebb az alkalmazása az optikai szálas érzékelő rendszerekben. Például, ha szálas Bragg-rácsot (FBG) használnak egy érzékelőhálózat felépítéséhez, spektrális analízis vagy hangolható szűrőillesztési módszer alkalmazható a demodulációhoz. Az előbbi spektrométert használt az egyes FBG rezonáns hullámhosszak közvetlen tesztelésére a hálózatban. Az utóbbi egy referencia szűrőt használ az FBG követésére és kalibrálására az érzékelésben, mindkettőhöz szélessávú fényforrásra van szükség az FBG tesztfényforrásaként. Mivel minden FBG hozzáférési hálózatnak van egy bizonyos beiktatási vesztesége, és a sávszélessége meghaladja a 0,1 nm-t, több FBG egyidejű demodulálásához nagy teljesítményű és nagy sávszélességű szélessávú fényforrásra van szükség. Például, ha hosszú periódusú szálas rácsot (LPFG) használnak az érzékeléshez, mivel egyetlen veszteségcsúcs sávszélessége 10 nm nagyságrendű, széles spektrumú fényforrásra van szükség megfelelő sávszélességgel és viszonylag lapos spektrummal a rezonáns csúcs jellemzőinek pontos jellemzéséhez. Különösen az akusztooptikai hatás felhasználásával létrehozott akusztikus szálas rács (AIFG) képes elektromos hangolással akár 1000 nm-es rezonáns hullámhosszú hangolási tartományt elérni. Ezért az ilyen ultraszéles hangolási tartománnyal végzett dinamikus rácsvizsgálat nagy kihívást jelent a széles spektrumú fényforrás sávszélesség-tartománya szempontjából. Hasonlóképpen, az elmúlt években a döntött Bragg szálas rácsot is széles körben alkalmazzák a szálérzékelés területén. Többcsúcsos veszteségi spektrumjellemzői miatt a hullámhossz-eloszlás tartománya általában elérheti a 40 nm-t. Érzékelési mechanizmusa általában a több átviteli csúcs közötti relatív mozgás összehasonlítása, ezért szükséges az átviteli spektrum teljes mérése. A széles spektrumú fényforrás sávszélességének és teljesítményének nagyobbnak kell lennie.
2. A kutatás helyzete itthon és külföldön
2.1 Keskeny vonalszélességű lézerfényforrás
2.1.1 Keskeny vonalszélességű félvezető elosztott visszacsatoló lézer
2006-ban Cliche és munkatársai csökkentették a félvezetők MHz-skálájátDFB lézer(elosztott visszacsatolású lézer) kHz-es skálára elektromos visszacsatolásos módszerrel; 2011-ben Kessler és munkatársai alacsony hőmérsékletű és nagy stabilitású egykristályos üreget használtak aktív visszacsatolás-vezérléssel kombinálva, hogy 40 MHz-es ultrakeskeny vonalszélességű lézerkimenetet kapjanak; 2013-ban Peng és munkatársai 15 kHz-es vonalszélességű félvezető lézerkimenetet értek el külső Fabry-Perot (FP) visszacsatolás-szabályozás módszerével. Az elektromos visszacsatolásos módszer főként a Pond-Drever-Hall frekvenciastabilizációs visszacsatolást használta a fényforrás lézervonalszélességének csökkentésére. 2010-ben Bernhardi és munkatársai 1 cm2 erbiummal adalékolt alumínium-oxid FBG-t állítottak elő szilícium-oxid hordozón, hogy körülbelül 1,7 kHz-es vonalszélességű lézerkimenetet kapjanak. Ugyanebben az évben Liang és munkatársai... ábrán látható módon, egy nagy Q-értékű visszhangfalrezonátor által létrehozott visszafelé irányuló Rayleigh-szórás öninjekciós visszacsatolását használták fel félvezető lézer vonalszélesség-tömörítésére, és végül egy keskeny, 160 Hz-es vonalszélességű lézerkimenetet kaptak.
1. ábra (a) Félvezető lézeres vonalszélesség-tömörítés diagramja külső suttogó galéria módus rezonátor öninjekciós Rayleigh-szórása alapján;
(b) A szabadon futó félvezető lézer frekvenciaspektruma 8 MHz vonalszélességgel;
(c) A lézer frekvenciaspektruma 160 Hz-re tömörített vonalszélességgel
2.1.2 Keskeny vonalszélességű száloptikás lézer
Lineáris üreges szálas lézerek esetében az egyetlen longitudinális módusú keskeny vonalszélességű lézerkimenetet a rezonátor hosszának lerövidítésével és a longitudinális módus intervallum növelésével érik el. 2004-ben Spiegelberg és munkatársai DBR rövid üreges módszerrel egyetlen longitudinális módusú keskeny vonalszélességű lézerkimenetet állítottak elő 2 kHz vonalszélességgel. 2007-ben Shen és munkatársai egy 2 cm-es, erősen erbiummal adalékolt szilíciumszálat használtak FBG írására egy Bi-Ge ko-adalékolt fényérzékeny szálra, majd egy aktív szállal egyesítették, így egy kompakt lineáris üreget hoztak létre, így a lézerkimeneti vonalszélessége kisebb, mint 1 kHz. 2010-ben Yang és munkatársai egy 2 cm-es, erősen adalékolt rövid lineáris üreget használtak, egy keskeny sávú FBG szűrővel kombinálva, egyetlen longitudinális módusú lézerkimenetet kaptak, amelynek vonalszélessége kisebb, mint 2 kHz. 2014-ben a csapat egy rövid lineáris üreget (virtuálisan hajtogatott gyűrűrezonátor) és egy FBG-FP szűrő kombinációjával keskenyebb vonalszélességű lézerkimenetet kapott, ahogy az a 3. ábrán látható. 2012-ben Cai és munkatársai egy 1,4 cm-es rövid üregszerkezetet használtak, hogy 114 mW-nál nagyobb kimenőteljesítménnyel, 1540,3 nm központi hullámhosszal és 4,1 kHz vonalszélességgel rendelkező polarizáló lézerkimenetet kapjanak. 2013-ban Meng és munkatársai erbiummal adalékolt szál Brillouin-szórását alkalmazták egy teljes előfeszítésű megőrző eszköz rövid gyűrűüregével, hogy egyetlen longitudinális módusú, alacsony fázisú zajszintű lézerkimenetet kapjanak 10 mW kimenőteljesítménnyel. 2015-ben a csapat egy 45 cm-es erbiummal adalékolt szálból álló gyűrűüreget használt Brillouin-szórási erősítőközegként, hogy alacsony küszöbértékű és keskeny vonalszélességű lézerkimenetet kapjanak.
2. ábra (a) Az SLC száloptikás lézer sematikus rajza;
(b) A heterodin jel vonalalakja 97,6 km-es szálkésleltetéssel mérve
Közzététel ideje: 2023. november 20.