Lézerforrás -technológiaoptikai szálAz első rész érzékelése
Az optikai szálérzékelő technológia egyfajta érzékelési technológia, amelyet az optikai szál technológiával és az optikai szálkommunikációs technológiával együtt fejlesztettek ki, és a fotoelektromos technológia egyik legaktívabb ágává vált. Az optikai szálérzékelő rendszer elsősorban lézer, sebességváltó, érzékelő elem vagy modulációs területből, fényérzékelésből és más alkatrészekből áll. A fényhullám jellemzőit leíró paraméterek között szerepel az intenzitás, a hullámhossz, a fázis, a polarizációs állapot stb. Ezeket a paramétereket az optikai szálátvitel külső hatásai megváltoztathatják. 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 útvonalat, ezek a paraméterek ennek megfelelően változnak. Az optikai szálérzékelés ezen paraméterek és a külső tényezők közötti kapcsolaton alapul a megfelelő fizikai mennyiségek észlelésére.
Sokféle típusúlézerforrásoptikai szálérzékelő rendszerekben használják, amelyek két kategóriába sorolhatók: koherenslézerforrásokés inkoherens fényforrások, inkoherensekfényforrásokElsősorban az izzólámpa és a fénykibocsátó diódák, a koherens fényforrások pedig a szilárd lézerek, a folyékony lézerek, a gáz lézerek,félvezető lézerésrostos lézer- A következők elsősorban alézeres fényforrásSzéles körben használják a szálérzékelés területén az utóbbi években: keskeny vonalszélesség egyfrekvenciás lézer, egy hullámhosszú seprőfrekvenciás lézer és fehér lézer.
1.1 A keskeny vonalszélesség követelményeilézeres fényforrások
Az optikai szálérzékelő rendszert nem lehet elválasztani a lézerforrástól, mivel a mért jel hordozó fényhulláma, maga a lézer fényforrás teljesítménye, mint például a teljesítménystabilitás, a lézer -vonalszélesség, a fázzaj és más paraméterek az optikai szálérzékelő rendszer észlelési távolságán, az észlelési pontosság, az érzékenység és a zajjellemzők döntő szerepet játszanak. Az utóbbi években a távolsági ultra-nagy felbontású optikai szálérzékelő rendszerek fejlesztésével az akadémia és az ipar szigorúbb követelményeket tett a lézer miniatürizáció vonalszélességének teljesítményére, elsősorban az optikai frekvenciatartomány-reflexió (OFDR) technológiában, amely koherens detektálási technológiát alkalmaz a háttérképek szétszórt jelzéseinek elemzésére (ezer méteres). A nagy felbontás (milliméteres szintű felbontás) és a nagy érzékenység (legfeljebb -100 dBm) előnyei az egyik technológiává váltak, amelyek széles körű alkalmazási kilátásokkal rendelkeznek az elosztott optikai szálmérés és az érzékelési technológia területén. Az OFDR technológia lényege, hogy hangolható fényforrást használjon az optikai frekvenciahangolás eléréséhez, így a lézerforrás teljesítménye meghatározza a kulcsfontosságú tényezőket, mint például az OFDR detektálási tartomány, az érzékenység és a felbontás. Ha a reflexiós pont távolsága közel van a koherencia hosszához, akkor a Beat jel intenzitását exponenciálisan enyhíti az τ/τC együttható. A spektrális alakú Gauss -i fényforrás esetében annak biztosítása érdekében, hogy a ritmusfrekvencia több mint 90% -os láthatósággal rendelkezik, a fényforrás vonalszélessége és a rendszer által elérhető maximális érzékelési hossz közötti kapcsolat az Lmax ~ 0,04 Vg/f közötti kapcsolat, ami azt jelenti, hogy egy 80 km hosszúságú rost esetében a fényforrás vonalszélessége kevesebb, mint 100 Hz. Ezenkívül az egyéb alkalmazások fejlesztése szintén magasabb követelményeket támaszt a fényforrás vonalszélességére. Például az optikai szálas hidrofonrendszerben a fényforrás vonalszélessége meghatározza a rendszer zaját, és meghatározza a rendszer minimális mérhető jelét is. A Brillouin optikai időtartomány -reflektorban (BOTDR) a hőmérséklet és a feszültség mérési felbontását elsősorban a fényforrás vonalszélessége határozza meg. A rezonátor száloptikai giroszkóppal a fényhullám koherencia hossza megnövelhető a fényforrás vonalszélességének csökkentésével, ezáltal javítva a rezonátor finomságát és rezonancia mélységét, csökkentve a rezonátor vonalszélességét, és biztosítva a száloptikai girro mérési pontosságát.
1.2 Követelmények a seprő lézerforrásokra
Az egyetlen hullámhosszú seprő lézer rugalmas hullámhossz -hangolási teljesítménygel rendelkezik, helyettesítheti a több kimeneti rögzített hullámhosszú lézert, csökkentheti a rendszerépítés költségeit, és az optikai szálérzékelő rendszer nélkülözhetetlen része. Például a nyomkövető gázszál -érzékelés során a különféle gázok különböző gázok abszorpciós csúcsai vannak. Annak érdekében, hogy biztosítsuk a fényelnyelés hatékonyságát, ha a mérőgáz elegendő és nagyobb mérési érzékenységet ér el, a sebességváltó fényforrás hullámhosszát kell igazítani a gázmolekula abszorpciós csúcsához. A kimutatható gáz típusát lényegében az érzékelő fényforrás hullámhossza határozza meg. Ezért a stabil szélessávú hangolási teljesítményű keskeny vonalszélességű lézerek nagyobb mérési rugalmasságot mutatnak az ilyen érzékelő rendszerekben. Például néhány elosztott optikai szálérzékelő rendszerben az optikai frekvenciatartomány-reflexión alapuló rendszerben a lézert gyorsan rendszeresen kell söpörni a nagy pontosságú koherens detektálás és az optikai jelek demodulációjának elérése érdekében, így a lézerforrás modulációs sebessége viszonylag magas követelményekkel rendelkezik, és a beállítható lézer söpörési sebességére általában a 10 pm/μs eléréséhez szükséges. Ezenkívül a hullámhossz hangolható keskeny vonalszélességű lézer széles körben is használható a LIDAR-ban, a lézeres távérzékelésben és a nagy felbontású spektrális elemzésben és más érzékelő mezőkben is. Annak érdekében, hogy megfeleljenek a sávszélesség nagy teljesítményű paramétereinek, a hangolási pontosságnak és az egy hullámhosszú lézerek hangolási sebességének a szálérzékelés területén történő hangolási sebességének, az utóbbi években a hangolható keskeny szélességű rostos lézerek tanulmányozásának általános célja egy nagyobb precíziós hangzás elérése, és az ultra-narrow lézerszélesség és az ultraszerű fázis, és az ultra-ultra-feszültség-zaj és az ultra-stb.
1.3 A fehér lézer fényforrás iránti igény
Az optikai érzékelés területén a kiváló minőségű, fehér fény lézer nagy jelentőséggel bír a rendszer teljesítményének javításában. Minél szélesebb a White Light Laser spektrum lefedése, annál szélesebb körű alkalmazása az optikai szálérzékelő rendszerben. Például, ha a szálas Bragg -rácsot (FBG) érzékelőhálózat felépítéséhez használható, spektrális elemzést vagy hangolható szűrő -illesztési módszert lehet használni a demodulációhoz. Az előbbi spektrométert használt az FBG rezonancia hullámhosszának közvetlenül a hálózatban történő közvetlen tesztelésére. Ez utóbbi referenciaszűrőt használ az érzékelésben az FBG nyomon követésére és kalibrálására, amelyek mindkettő szélessávú fényforrást igényel az FBG teszt fényforrásaként. Mivel az egyes FBG hozzáférési hálózatoknak bizonyos beillesztési vesztesége lesz, és sávszélessége meghaladja a 0,1 nm -et, a több FBG egyidejű demodulációja szélessávú fényforráshoz nagy teljesítményű és nagy sávszélességű. Például, ha hosszú periódusú szálas rácsot (LPFG) használnak az érzékeléshez, mivel az egyetlen veszteségi csúcs sávszélessége 10 nm -es sorrendben van, egy széles spektrumú fényforrás, amelynek elegendő sávszélessége és viszonylag sík spektruma szükséges a rezonáns csúcs jellemzőinek pontos jellemzéséhez. Különösen az akusztikus rács (AIFG), amelyet az akuszto-optikai hatás felhasználásával készítenek, az elektromos hangolás segítségével akár 1000 nm-ig terjedő rezonáns hullámhossz hangolási tartományát érheti el. Ezért a dinamikus rácsos tesztelés egy ilyen ultraszélességű hangolási tartományban nagy kihívást jelent a széles spektrumú fényforrás sávszélesség-tartományában. Hasonlóképpen, az utóbbi években a megdöntött Bragg rostrácsot is széles körben használják a rostérzékelés területén. Többcsúcsos veszteség-spektrumjellemzői miatt a hullámhossz-eloszlási tartomány általában elérheti a 40 nm-t. Érzékelő mechanizmusa általában a többszörös átviteli csúcsok közötti relatív mozgás összehasonlításának célja, ezért teljes mértékben meg kell mérni az átviteli spektrumát. A széles spektrumú fényforrás sávszélességének és erejének magasabbnak kell lennie.
2. Kutatási státusz otthon és külföldön
2.1 Keskeny vonalszélességű lézerfény forrás
2.1.1 keskeny vonalszélességű félvezető elosztott visszacsatoló lézer
2006 -ban Cliche et al. csökkentette a félvezető MHz skálájátDFB lézer(elosztott visszacsatolási lézer) a KHz skálára elektromos visszacsatolási módszerrel; 2011 -ben Kessler et al. használt alacsony hőmérsékleten és nagy stabilitású egykristályos üreg és aktív visszacsatolás-szabályozás és 40 MHz-es ultra-narrow-os vonalszélességű lézerkibocsátáshoz; 2013-ban Peng és munkatársai félvezető lézerkimenetet kaptak, 15 kHz vonalszélességgel a külső Fabry-Perot (FP) visszacsatolás beállításának módszerével. Az elektromos visszacsatolási módszer elsősorban a tavacskás-Hall frekvencia stabilizációs visszacsatolási visszacsatolást alkalmazta, hogy a fényforrás lézeres vonalszélességét csökkentsék. 2010 -ben Bernhardi et al. előállított 1 cm-es erbium-adalékolt alumínium-oxid-FBG-t egy szilícium-oxid-szubsztráton, hogy lézeres kimenetet kapjon, amelynek kb. 1,7 kHz-es vonalszélessége van. Ugyanebben az évben Liang et al. Használta a hátrányos Rayleigh szórás öninjekciós visszajelzését, amelyet egy magas Q Echo fali rezonátor alkot a félvezető lézer vonalszélességű kompresszióhoz, amint az az 1. ábrán látható, és végül egy keskeny vonalszélességű lézer kimenetet kapott 160 Hz.
1. ábra (a) A félvezető lézeres vonalszélesség-tömörítés diagramja a külső suttogó galéria mód rezonátorának öninjekciós Rayleigh szórása alapján;
(b) a szabadon futó félvezető lézer frekvenciaspektruma, 8 MHz vonalszélességgel;
(c) A lézer frekvencia spektruma, amelynek vonalszélessége 160 Hz -re tömörítve
2.1.2 Keskeny vonalszélességű rost lézer
A lineáris üregszálas lézereknél az egy hosszanti mód keskeny vonalszélességű lézer kimenetét a rezonátor hosszának lerövidítésével és a hosszirányú üzemmód -intervallum növelésével kapjuk meg. 2004 -ben Spiegelberg et al. Egyetlen hosszanti üzemmódú keskeny vonalszélességű lézer kimenetet kapott, 2 kHz vonalszélességgel DBR rövid üreg módszerrel. 2007 -ben Shen et al. 2 cm-es erősen erbium-adalékolt szilikonszálot használt FBG írására egy Bi-GE-vel együtt adalékolt fényérzékeny rostra, és egy aktív rosttal összeolvasztotta, hogy kompakt lineáris üreget képezzen, így a lézerkimeneti vonal szélessége kevesebb, mint 1 kHz. 2010 -ben Yang et al. 2 cm -es erősen adalékolt, rövid lineáris üreget használt egy keskeny sávú FBG szűrővel kombinálva, hogy egyetlen hosszanti módú lézerkimenetet kapjon, amelynek vonalszélessége kevesebb, mint 2 kHz. 2014-ben a csapat rövid lineáris üreget (virtuális hajtogatott gyűrűs rezonátor) használt egy FBG-FP szűrővel kombinálva, hogy lézerkimenetet kapjon szűkebb vonalszélességgel, amint azt a 3. ábra mutatja. 2012-ben Cai et al. 1,4 cm -es rövid üregszerkezetet használt egy olyan polarizáló lézerkibocsátáshoz, amelynek kimeneti teljesítménye nagyobb, mint 114 mW, a központi hullámhossz 1540,3 nm, és a vonal szélessége 4,1 kHz. 2013 -ban Meng et al. Használt erbium-adalékolt rost Brillouin szórása egy teljes torzító eszköz rövid gyűrűs üregével, hogy egy hosszú távú, alacsony fázisú zajú lézer kimenetet kapjon, 10 MW kimeneti teljesítménygel. 2015-ben a csapat gyűrűs üreget használt, amely 45 cm-es erbium-adalékolt rostból állt, mint a Brillouin szórási erősítő táptalaj, hogy alacsony küszöböt és keskeny vonalszélességű lézer kimenetet kapjanak.
2. ábra (a) Az SLC szálas lézer vázlatos rajza;
(B) A heterodyne jel 97,6 km -es szál késleltetéssel mért vonalszíne
A postai idő: november 20-2023