Teknologi sumber laser untukserat optikpenginderaan Bagian Satu
Teknologi penginderaan serat optik adalah jenis teknologi penginderaan yang dikembangkan bersamaan dengan teknologi serat optik dan teknologi komunikasi serat optik, dan telah menjadi salah satu cabang teknologi fotolistrik yang paling aktif. Sistem penginderaan serat optik terutama terdiri dari laser, serat transmisi, elemen penginderaan atau area modulasi, deteksi cahaya, dan bagian lainnya. Parameter yang menggambarkan karakteristik gelombang cahaya meliputi intensitas, panjang gelombang, fase, keadaan polarisasi, dll. Parameter ini dapat diubah oleh pengaruh eksternal dalam transmisi serat optik. Misalnya, ketika suhu, regangan, tekanan, arus, perpindahan, getaran, rotasi, pembengkokan, dan kuantitas kimia memengaruhi jalur optik, parameter ini berubah sesuai. Penginderaan serat optik didasarkan pada hubungan antara parameter ini dan faktor eksternal untuk mendeteksi besaran fisik yang sesuai.
Ada banyak jenissumber laserdigunakan dalam sistem penginderaan serat optik, yang dapat dibagi menjadi dua kategori: koherensumber laserdan sumber cahaya tak koheren, tak koherensumber cahayaTerutama meliputi lampu pijar dan dioda pemancar cahaya, dan sumber cahaya koheren meliputi laser padat, laser cair, laser gas,laser semikonduktorDanlaser seratBerikut ini terutama ditujukan untuksumber cahaya laserBanyak digunakan di bidang penginderaan serat optik dalam beberapa tahun terakhir: laser frekuensi tunggal dengan lebar garis sempit, laser frekuensi sapuan panjang gelombang tunggal, dan laser putih.
1.1 Persyaratan untuk lebar garis sempitsumber cahaya laser
Sistem penginderaan serat optik tidak dapat dipisahkan dari sumber laser, karena sebagai gelombang cahaya pembawa sinyal yang diukur, kinerja sumber cahaya laser itu sendiri, seperti stabilitas daya, lebar garis laser, derau fasa, dan parameter lainnya, memainkan peran penting dalam menentukan jarak deteksi, akurasi deteksi, sensitivitas, dan karakteristik derau sistem penginderaan serat optik. Dalam beberapa tahun terakhir, dengan perkembangan sistem penginderaan serat optik resolusi ultra-tinggi jarak jauh, akademisi dan industri telah mengajukan persyaratan yang lebih ketat untuk kinerja lebar garis miniaturisasi laser, terutama dalam: teknologi refleksi domain frekuensi optik (OFDR) yang menggunakan teknologi deteksi koheren untuk menganalisis sinyal hamburan backrayleigh dari serat optik dalam domain frekuensi, dengan cakupan yang luas (ribuan meter). Keunggulan resolusi tinggi (resolusi tingkat milimeter) dan sensitivitas tinggi (hingga -100 dBm) telah menjadikannya salah satu teknologi dengan prospek aplikasi yang luas dalam teknologi pengukuran dan penginderaan serat optik terdistribusi. Inti dari teknologi OFDR adalah menggunakan sumber cahaya yang dapat disetel untuk mencapai penyetelan frekuensi optik, sehingga kinerja sumber laser menentukan faktor-faktor kunci seperti jangkauan deteksi OFDR, sensitivitas, dan resolusi. Ketika jarak titik pantulan mendekati panjang koherensi, intensitas sinyal beat akan teredam secara eksponensial oleh koefisien τ/τc. Untuk sumber cahaya Gaussian dengan bentuk spektral, untuk memastikan bahwa frekuensi beat memiliki visibilitas lebih dari 90%, hubungan antara lebar garis sumber cahaya dan panjang penginderaan maksimum yang dapat dicapai sistem adalah Lmax~0,04vg/f, yang berarti bahwa untuk serat dengan panjang 80 km, lebar garis sumber cahaya kurang dari 100 Hz. Selain itu, pengembangan aplikasi lain juga menuntut persyaratan yang lebih tinggi untuk lebar garis sumber cahaya. Misalnya, dalam sistem hidrofone serat optik, lebar garis sumber cahaya menentukan noise sistem dan juga menentukan sinyal terukur minimum sistem. Dalam reflektor domain waktu optik Brillouin (BOTDR), resolusi pengukuran suhu dan tegangan terutama ditentukan oleh lebar garis sumber cahaya. Pada giroskop serat optik resonator, panjang koherensi gelombang cahaya dapat ditingkatkan dengan mengurangi lebar garis sumber cahaya, sehingga meningkatkan kehalusan dan kedalaman resonansi resonator, mengurangi lebar garis resonator, dan memastikan akurasi pengukuran giroskop serat optik.
1.2 Persyaratan untuk sumber laser sapuan
Laser sapuan panjang gelombang tunggal memiliki kinerja penyetelan panjang gelombang yang fleksibel, dapat menggantikan beberapa laser panjang gelombang tetap keluaran, mengurangi biaya konstruksi sistem, dan merupakan bagian yang tak terpisahkan dari sistem penginderaan serat optik. Misalnya, dalam penginderaan serat optik gas jejak, berbagai jenis gas memiliki puncak penyerapan gas yang berbeda. Untuk memastikan efisiensi penyerapan cahaya ketika gas yang diukur cukup dan mencapai sensitivitas pengukuran yang lebih tinggi, perlu untuk menyelaraskan panjang gelombang sumber cahaya transmisi dengan puncak penyerapan molekul gas. Jenis gas yang dapat dideteksi pada dasarnya ditentukan oleh panjang gelombang sumber cahaya penginderaan. Oleh karena itu, laser garis lebar sempit dengan kinerja penyetelan pita lebar yang stabil memiliki fleksibilitas pengukuran yang lebih tinggi dalam sistem penginderaan tersebut. Misalnya, dalam beberapa sistem penginderaan serat optik terdistribusi berdasarkan refleksi domain frekuensi optik, laser perlu disapu secara periodik dengan cepat untuk mencapai deteksi dan demodulasi sinyal optik koheren dengan presisi tinggi, sehingga laju modulasi sumber laser memiliki persyaratan yang relatif tinggi, dan kecepatan sapuan laser yang dapat disesuaikan biasanya diperlukan untuk mencapai 10 pm/μs. Selain itu, laser dengan lebar garis sempit yang dapat disetel panjang gelombangnya juga dapat digunakan secara luas dalam LiDAR, penginderaan jauh laser, analisis spektral resolusi tinggi, dan bidang penginderaan lainnya. Untuk memenuhi persyaratan parameter kinerja tinggi dari bandwidth penyetelan, akurasi penyetelan, dan kecepatan penyetelan laser panjang gelombang tunggal di bidang penginderaan serat optik, tujuan keseluruhan dari penelitian laser serat optik lebar sempit yang dapat disetel dalam beberapa tahun terakhir adalah untuk mencapai penyetelan presisi tinggi dalam rentang panjang gelombang yang lebih besar berdasarkan upaya mengejar lebar garis laser ultra-sempit, noise fase ultra-rendah, dan frekuensi serta daya keluaran ultra-stabil.
1.3 Permintaan akan sumber cahaya laser putih
Di bidang penginderaan optik, laser cahaya putih berkualitas tinggi sangat penting untuk meningkatkan kinerja sistem. Semakin luas cakupan spektrum laser cahaya putih, semakin luas aplikasinya dalam sistem penginderaan serat optik. Misalnya, ketika menggunakan fiber Bragg grating (FBG) untuk membangun jaringan sensor, analisis spektral atau metode pencocokan filter yang dapat disetel dapat digunakan untuk demodulasi. Metode pertama menggunakan spektrometer untuk langsung menguji setiap panjang gelombang resonansi FBG dalam jaringan. Metode kedua menggunakan filter referensi untuk melacak dan mengkalibrasi FBG dalam penginderaan, yang keduanya membutuhkan sumber cahaya pita lebar sebagai sumber cahaya uji untuk FBG. Karena setiap jaringan akses FBG akan memiliki kerugian penyisipan tertentu, dan memiliki bandwidth lebih dari 0,1 nm, demodulasi simultan dari beberapa FBG membutuhkan sumber cahaya pita lebar dengan daya tinggi dan bandwidth tinggi. Sebagai contoh, ketika menggunakan kisi serat periode panjang (LPFG) untuk penginderaan, karena lebar pita puncak kerugian tunggal berada dalam orde 10 nm, sumber cahaya spektrum lebar dengan lebar pita yang cukup dan spektrum yang relatif datar diperlukan untuk secara akurat mengkarakterisasi karakteristik puncak resonansinya. Secara khusus, kisi serat akustik (AIFG) yang dibangun dengan memanfaatkan efek akusto-optik dapat mencapai rentang penyetelan panjang gelombang resonansi hingga 1000 nm melalui penyetelan listrik. Oleh karena itu, pengujian kisi dinamis dengan rentang penyetelan ultra-lebar tersebut menimbulkan tantangan besar terhadap rentang lebar pita sumber cahaya spektrum lebar. Demikian pula, dalam beberapa tahun terakhir, kisi serat Bragg miring juga telah banyak digunakan di bidang penginderaan serat. Karena karakteristik spektrum kerugian multi-puncaknya, rentang distribusi panjang gelombang biasanya dapat mencapai 40 nm. Mekanisme penginderaannya biasanya membandingkan pergerakan relatif di antara beberapa puncak transmisi, sehingga perlu untuk mengukur spektrum transmisinya secara lengkap. Lebar pita dan daya sumber cahaya spektrum lebar harus lebih tinggi.
2. Status penelitian di dalam dan luar negeri
2.1 Sumber cahaya laser dengan lebar garis sempit
2.1.1 Laser umpan balik terdistribusi semikonduktor dengan lebar garis sempit
Pada tahun 2006, Cliche dkk. mengurangi skala MHz semikonduktor.Laser DFB(laser umpan balik terdistribusi) hingga skala kHz menggunakan metode umpan balik listrik; Pada tahun 2011, Kessler dkk. menggunakan rongga kristal tunggal suhu rendah dan stabilitas tinggi yang dikombinasikan dengan kontrol umpan balik aktif untuk mendapatkan keluaran laser dengan lebar garis ultra-sempit 40 MHz; Pada tahun 2013, Peng dkk. memperoleh keluaran laser semikonduktor dengan lebar garis 15 kHz dengan menggunakan metode penyesuaian umpan balik Fabry-Perot (FP) eksternal. Metode umpan balik listrik terutama menggunakan umpan balik stabilisasi frekuensi Pond-Drever-Hall untuk mengurangi lebar garis laser dari sumber cahaya. Pada tahun 2010, Bernhardi dkk. menghasilkan FBG alumina yang didoping erbium sepanjang 1 cm pada substrat silikon oksida untuk mendapatkan keluaran laser dengan lebar garis sekitar 1,7 kHz. Pada tahun yang sama, Liang dkk. menggunakan umpan balik injeksi diri dari hamburan Rayleigh mundur yang dibentuk oleh resonator dinding gema Q tinggi untuk kompresi lebar garis laser semikonduktor, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, dan akhirnya memperoleh keluaran laser dengan lebar garis sempit sebesar 160 Hz.
Gambar 1 (a) Diagram kompresi lebar garis laser semikonduktor berdasarkan hamburan Rayleigh injeksi diri dari resonator mode galeri bisikan eksternal;
(b) Spektrum frekuensi laser semikonduktor yang beroperasi bebas dengan lebar garis 8 MHz;
(c) Spektrum frekuensi laser dengan lebar garis yang dikompresi menjadi 160 Hz
2.1.2 Laser serat dengan lebar garis sempit
Untuk laser serat rongga linier, keluaran laser dengan lebar garis sempit dari mode longitudinal tunggal diperoleh dengan memperpendek panjang resonator dan meningkatkan interval mode longitudinal. Pada tahun 2004, Spiegelberg dkk. memperoleh keluaran laser dengan lebar garis sempit mode longitudinal tunggal dengan lebar garis 2 kHz menggunakan metode rongga pendek DBR. Pada tahun 2007, Shen dkk. menggunakan serat silikon yang didoping erbium tinggi sepanjang 2 cm untuk menulis FBG pada serat fotosensitif yang didoping Bi-Ge, dan menggabungkannya dengan serat aktif untuk membentuk rongga linier kompak, sehingga lebar garis keluaran lasernya kurang dari 1 kHz. Pada tahun 2010, Yang dkk. menggunakan rongga linier pendek yang didoping tinggi sepanjang 2 cm yang dikombinasikan dengan filter FBG pita sempit untuk memperoleh keluaran laser mode longitudinal tunggal dengan lebar garis kurang dari 2 kHz. Pada tahun 2014, tim tersebut menggunakan rongga linier pendek (resonator cincin lipat virtual) yang dikombinasikan dengan filter FBG-FP untuk mendapatkan keluaran laser dengan lebar garis yang lebih sempit, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Pada tahun 2012, Cai dkk. menggunakan struktur rongga pendek 1,4 cm untuk mendapatkan keluaran laser polarisasi dengan daya keluaran lebih besar dari 114 mW, panjang gelombang pusat 1540,3 nm, dan lebar garis 4,1 kHz. Pada tahun 2013, Meng dkk. menggunakan hamburan Brillouin dari serat yang didoping erbium dengan rongga cincin pendek dari perangkat yang mempertahankan bias penuh untuk mendapatkan keluaran laser mode longitudinal tunggal, noise fase rendah dengan daya keluaran 10 mW. Pada tahun 2015, tim tersebut menggunakan rongga cincin yang terdiri dari serat yang didoping erbium sepanjang 45 cm sebagai medium penguatan hamburan Brillouin untuk mendapatkan keluaran laser ambang batas rendah dan lebar garis sempit.
Gambar 2 (a) Gambar skematis laser serat SLC;
(b) Bentuk garis sinyal heterodin yang diukur dengan penundaan serat optik 97,6 km
Waktu posting: 20 November 2023