Lézerforrás technológia aoptikai szálelső rész érzékelése
Az optikai szálas érzékelő technológia egyfajta 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 szál érzékelő rendszer főként lézerből, átviteli szálból, érzékelő elemből vagy modulációs területből, fényérzékelésből és egyéb részekből áll.A fényhullám jellemzőit leíró paraméterek közé tartozik az intenzitás, a hullámhossz, a fázis, a polarizációs állapot stb. Ezeket a paramétereket az optikai szál átvitelében külső hatások megváltoztathatják.Például amikor a hőmérséklet, alakváltozás, nyomás, áram, elmozdulás, rezgés, forgás, hajlítás és vegyi anyag mennyisége befolyásolja az optikai utat, ezek a paraméterek ennek megfelelően változnak.Az optikai szál érzékelése ezen paraméterek és a külső tényezők közötti kapcsolaton alapul a megfelelő fizikai mennyiségek kimutatására.
Sok fajta léteziklézerforrásoptikai szál-érzékelő rendszerekben használatos, amelyek két kategóriába sorolhatók: koherenslézeres forrásokés inkoherens fényforrások, inkoherensfényforrásokfőként izzólámpás és fénykibocsátó diódák, a koherens fényforrások pedig a szilárd lézerek, a folyékony lézerek, a gázlézerek,félvezető lézerésszálas lézer.Az alábbiak elsősorban alézer fényforrásAz utóbbi években széles körben használtak a szálérzékelés területén: keskeny vonalszélességű egyfrekvenciás lézer, egyhullámhosszú sweep frekvenciás lézer és fehér lézer.
1.1 A keskeny vonalszélesség követelményeilézeres fényforrások
Az optikai szál érzékelő rendszert nem lehet elválasztani a lézerforrástól, mivel a mért jelhordozó fényhullám, maga a lézerfényforrás teljesítménye, például teljesítménystabilitás, lézer vonalszélesség, fáziszaj és egyéb paraméterek az optikai szál érzékelő rendszeren az érzékelési távolság, érzékelés a pontosság, az érzékenység és a zajjellemzők döntő szerepet játszanak.Az elmúlt években a nagy távolságú, ultranagy felbontású optikai szálas érzékelőrendszerek kifejlesztésével az akadémia és az ipar szigorúbb követelményeket támaszt a lézerminiatürizálás vonalszélességi teljesítményére vonatkozóan, főként a következőkben: az optikai frekvenciatartomány-visszaverődés (OFDR) technológia koherens technológiát használ. detektálási technológia az optikai szálak visszasugárzott szórt jeleinek elemzésére a frekvenciatartományban, széles lefedettséggel (több ezer méter).A nagy felbontás (milliméteres felbontás) és a nagy érzékenység (akár -100 dBm) előnyei az elosztott optikai szál mérési és érzékelési technológiájában széles körű alkalmazási lehetőségeket kínáló technológiák egyikévé váltak.Az OFDR technológia lényege, hogy hangolható fényforrást használjon az optikai frekvencia hangolás eléréséhez, így a lézerforrás teljesítménye határozza meg a kulcsfontosságú tényezőket, például az OFDR érzékelési tartományt, érzékenységet és felbontást.Ha a visszaverődési pont távolsága közel van a koherencia hosszához, az ütemjel intenzitása exponenciálisan csillapodik a τ/τc együtthatóval.Egy spektrális alakú Gauss-fényforrás esetén annak biztosítása érdekében, hogy az ütemfrekvencia láthatósága 90%-nál nagyobb legyen, a fényforrás vonalszélessége és a rendszer által elérhető maximális érzékelési hossz közötti kapcsolat Lmax~0,04vg /f, ami azt jelenti, hogy egy 80 km hosszúságú szálnál a fényforrás vonalszélessége kisebb, mint 100 Hz.Emellett más alkalmazások fejlesztése is magasabb követelményeket támaszt a fényforrás vonalszélességével szemben.Például az optikai szálas hidrofon rendszerben a fényforrás vonalszélessége határozza meg a rendszerzajt, és meghatározza a rendszer minimálisan mérhető jelét is.A Brillouin optikai időtartományú reflektorban (BOTDR) a hőmérséklet és feszültség mérési felbontását elsősorban a fényforrás vonalszélessége határozza meg.A rezonátoros optikai giroszkópban a fényhullám koherenciahossza a fényforrás vonalszélességének csökkentésével növelhető, ezáltal javítható a rezonátor finomsága és rezonanciamélysége, csökken a rezonátor vonalszélessége, és biztosítható a mérés. az optikai giroszkóp pontossága.
1.2 A sweep lézerforrásokra vonatkozó követelmények
Az egyhullámhosszú sweep lézer rugalmas hullámhossz-hangolási teljesítménnyel rendelkezik, helyettesítheti a több kimeneti fix hullámhosszú lézert, csökkenti a rendszer felépítésének költségeit, az optikai szál érzékelő rendszer nélkülözhetetlen része.Például a nyomgázszál-érzékelésben a különböző típusú gázok eltérő gázabszorpciós csúcsokkal rendelkeznek.Annak érdekében, hogy a fényelnyelési hatékonyságot elegendő mérőgáz mellett biztosítsuk és nagyobb mérési érzékenységet érjünk el, az átvivő fényforrás hullámhosszát a gázmolekula abszorpciós csúcsához kell igazítani.A detektálható gáz típusát alapvetően az érzékelő fényforrás hullámhossza határozza meg.Ezért a keskeny vonalszélességű, stabil szélessávú hangolási teljesítménnyel rendelkező lézerek nagyobb mérési rugalmassággal rendelkeznek az ilyen érzékelőrendszerekben.Például egyes elosztott optikai szál-érzékelő rendszerekben, amelyek optikai frekvenciatartomány-visszaverődésen alapulnak, a lézert rendszeresen, gyorsan kell söpörni az optikai jelek nagy pontosságú koherens detektálása és demodulálása érdekében, így a lézerforrás modulációs sebessége viszonylag magas követelményeket támaszt. , és az állítható lézer pásztási sebessége általában a 10 pm/μs eléréséhez szükséges.Ezenkívül a hullámhosszon hangolható keskeny vonalszélességű lézer széles körben használható liDAR-ban, lézeres távérzékelésben és nagy felbontású spektrális elemzésben és más érzékelési területeken.Az egyhullámú lézerek hangolási sávszélességére, hangolási pontosságára és hangolási sebességére vonatkozó követelményeknek való megfelelés érdekében a szálérzékelés területén a hangolható keskeny szélességű szálas lézerek tanulmányozásának általános célja az elmúlt években a magas sávszélesség elérése. precíziós hangolás nagyobb hullámhossz-tartományban az ultra keskeny lézervonalszélesség, az ultraalacsony fáziszaj, valamint az ultrastabil kimeneti frekvencia és teljesítmény elérése alapján.
1.3 Fehér lézerfényforrás iránti igény
Az optikai érzékelés területén a kiváló minőségű fehér fényű lézer nagy jelentőséggel bír a rendszer teljesítményének javításában.Minél szélesebb a fehér fény lézer spektrumlefedettsége, annál szélesebb körben alkalmazható az optikai szál érzékelő rendszerben.Például, ha szálas Bragg-rácsot (FBG) használunk egy szenzorhálózat felépítésére, spektrális elemzés vagy hangolható szűrőillesztési módszer használható a demodulációhoz.Az előbbi egy spektrométert használt a hálózat minden FBG rezonancia hullámhosszának közvetlen tesztelésére.Ez utóbbi referenciaszűrőt használ az FBG nyomon követésére és kalibrálására az érzékelés során, mindkettő szélessávú fényforrást igényel az FBG tesztfényforrásaként.Mivel minden FBG hozzáférési hálózat bizonyos beillesztési veszteséggel és 0,1 nm-nél nagyobb sávszélességgel rendelkezik, több FBG egyidejű demodulálásához nagy teljesítményű és nagy sávszélességű szélessávú fényforrásra van szükség.Például, ha hosszú periódusú szálrácsot (LPFG) használunk az érzékeléshez, mivel egyetlen veszteségi csúcs sávszélessége 10 nm nagyságrendű, széles spektrumú, elegendő sávszélességű és viszonylag lapos spektrumú fényforrás szükséges a rezonanciájának pontos jellemzéséhez. csúcs jellemzői.Különösen az akusztikus-optikai effektus felhasználásával épített akusztikus szálrács (AIFG) képes akár 1000 nm-es rezonanciahullámhossz hangolási tartományát elérni elektromos hangolással.Ezért az ilyen ultraszéles hangolási tartománnyal végzett dinamikus rácsvizsgálat nagy kihívás elé állítja a széles spektrumú fényforrás sávszélesség-tartományát.Hasonlóképpen, az utóbbi években a döntött Bragg szálrácsot is széles körben alkalmazták a szálérzékelés területén.A többcsúcsos veszteségspektrum jellemzői miatt a hullámhossz-eloszlási tartomány általában elérheti a 40 nm-t.Érzékelési mechanizmusa általában több átviteli csúcs relatív mozgásának összehasonlítása, ezért szükséges az átviteli spektrum teljes mérése.A széles spektrumú fényforrás sávszélességének és teljesítményének nagyobbnak kell lennie.
2. Kutatási státusz itthon és külföldön
2.1 Keskeny vonalszélességű lézerfényforrás
2.1.1 Keskeny vonalszélességű félvezető elosztott visszacsatoló lézer
2006-ban Cliche et al.csökkentette a félvezető MHz-es skálájátDFB lézer(elosztott visszacsatolású lézer ) kHz-es skálára elektromos visszacsatolásos módszerrel;2011-ben Kessler et al.alacsony hőmérsékletű és nagy stabilitású egykristályos üreg, aktív visszacsatolásvezérléssel kombinálva az ultra keskeny, 40 MHz-es vonalszélességű lézerkimenet eléréséhez;2013-ban Peng és munkatársai 15 kHz-es vonalszélességű félvezető lézerkimenetet szereztek a külső Fabry-Perot (FP) visszacsatolás-szabályozás módszerével.Az elektromos visszacsatolásos módszer főként a Pond-Drever-Hall frekvenciastabilizáló visszacsatolást alkalmazta a fényforrás lézervonalszélességének csökkentésére.2010-ben Bernhardi et al.1 cm erbiummal adalékolt alumínium-oxid FBG-t állított elő szilícium-oxid hordozón, hogy körülbelül 1,7 kHz vonalszélességű lézerkimenetet kapjon.Ugyanebben az évben Liang et al.A visszafelé irányuló Rayleigh-szórás öninjekciós visszacsatolását használta fel, amelyet egy nagy Q visszhang-falrezonátor képezett a félvezető lézeres vonalszélességű tömörítéshez, amint az 1. ábrán látható, és végül 160 Hz-es keskeny vonalszélességű lézerkimenetet kapott.
1. ábra (a) A félvezető lézeres vonalszélesség-kompresszió diagramja a külső suttogó galéria üzemmódú rezonátor öninjekciós Rayleigh-szórásán alapul;
b) a szabadon futó félvezetőlézer frekvenciaspektruma 8 MHz vonalszélességgel;
(c) A lézer frekvenciaspektruma 160 Hz-re tömörített vonalszélességgel
2.1.2 Keskeny vonalszélességű szálas lézer
Lineáris üreges szálas lézereknél az egyszeres longitudinális mód keskeny vonalszélességű lézerkimenetét a rezonátor hosszának lerövidítésével és a longitudinális üzemmód intervallumának növelésével érik el.2004-ben Spiegelberg et al.DBR rövid üreges módszerrel egyetlen longitudinális módusú keskeny vonalszélességű lézerkimenetet kaptunk 2 kHz-es vonalszélességgel.2007-ben Shen et al.egy 2 cm-es, erősen erbiummal adalékolt szilíciumszálat használt az FBG felírásához egy Bi-Ge-vel együtt adalékolt fényérzékeny szálra, és egy aktív szállal olvasztotta össze egy kompakt lineáris üreget, így a lézerkimeneti vonal szélessége 1 kHz-nél kisebb volt.2010-ben Yang et al.2 cm-es erősen adalékolt rövid lineáris üreget használt keskeny sávú FBG szűrővel kombinálva, hogy egyetlen longitudinális üzemmódú lézerkimenetet kapjon, 2 kHz-nél kisebb vonalszélességgel.2014-ben a csapat egy rövid lineáris üreget (virtuális hajtogatott gyűrűs rezonátor) használt FBG-FP szűrővel kombinálva, hogy keskenyebb vonalszélességű lézerkimenetet kapjon, amint az a 3. ábrán látható. 2012-ben Cai et al.1,4 cm-es rövid üreges szerkezetet használt, hogy 114 mW-nál nagyobb kimeneti teljesítménnyel, 1540,3 nm központi hullámhosszal és 4,1 kHz-es vonalszélességgel polarizáló lézerkimenetet kapjon.2013-ban Meng et al.erbiummal adalékolt szál Brillouin szórását használta egy teljes előfeszítésű konzerváló készülék rövid gyűrűs üregével, hogy egy hosszanti üzemmódú, alacsony fázisú zajos lézerkimenetet kapjon 10 mW kimeneti teljesítménnyel.2015-ben a csapat egy 45 cm-es erbiummal adalékolt szálból álló gyűrűüreget használt Brillouin szóráserősítő közegként, hogy alacsony küszöbű és keskeny vonalszélességű lézerkimenetet érjen el.
2. ábra (a) Az SLC szálas lézer sematikus rajza;
(b) A heterodin jel vonalalakja 97,6 km-es szálkésleltetéssel mérve
Feladás időpontja: 2023.11.20