Teknologi Sumber Laser untukserat optikmerasakan bagian satu
Teknologi penginderaan serat optik adalah semacam teknologi penginderaan yang dikembangkan bersama dengan teknologi serat optik dan teknologi komunikasi serat optik, dan telah menjadi salah satu cabang teknologi fotoelektrik 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, bending dan kuantitas kimia mempengaruhi jalur optik, parameter ini berubah secara bersamaan. Penginderaan serat optik didasarkan pada hubungan antara parameter ini dan faktor eksternal untuk mendeteksi jumlah fisik yang sesuai.
Ada banyak jenisSumber laserdigunakan dalam sistem penginderaan serat optik, yang dapat dibagi menjadi dua kategori: koherenSumber Laserdan sumber cahaya yang tidak koheren, tidak koherenSumber CahayaTerutama termasuk cahaya pijar dan dioda pemancar cahaya, dan sumber cahaya yang koheren termasuk laser padat, laser cair, laser gas,Laser semikonduktorDanLaser serat. Berikut ini terutama untukSumber Cahaya Laserbanyak digunakan di bidang penginderaan serat dalam beberapa tahun terakhir: laser frekuensi tunggal lebar garis sempit, laser frekuensi sapuan panjang gelombang tunggal dan laser putih.
1.1 Persyaratan untuk linewidth sempitSumber Cahaya Laser
Sistem penginderaan serat optik tidak dapat dipisahkan dari sumber laser, karena gelombang cahaya pembawa sinyal yang diukur, kinerja sumber cahaya laser itu sendiri, seperti stabilitas daya, laser linewidth, noise fase dan parameter lainnya pada jarak deteksi sistem penginderaan serat optik, akurasi deteksi, sensitivitas dan karakteristik kebisingan memainkan peran yang mengerikan. Dalam beberapa tahun terakhir, dengan pengembangan sistem penginderaan serat optik resolusi ultra-tinggi jarak jauh, akademisi dan industri telah mengedepankan persyaratan yang lebih ketat untuk kinerja linewidth dari miniaturisasi laser, terutama dalam teknologi domain yang koheren untuk menganalisis backrayleegh refleksi yang tersebar di bidang optik yang tersebar di bidang optik yang berserakan dengan backraylege dari backrayleghrayle dari backrayleghrayle dari backrayleghring yang hamburan sinyal optikal. Keuntungan resolusi tinggi (resolusi tingkat milimeter) dan sensitivitas tinggi (hingga -100 dBm) telah menjadi salah satu teknologi dengan prospek aplikasi yang luas dalam pengukuran serat optik terdistribusi dan teknologi penginderaan. Inti dari teknologi OFDR adalah menggunakan sumber cahaya yang dapat merdu untuk mencapai penyetelan frekuensi optik, sehingga kinerja sumber laser menentukan faktor -faktor kunci seperti rentang deteksi OFDR, sensitivitas dan resolusi. Ketika jarak titik refleksi dekat dengan panjang koherensi, intensitas sinyal ketukan akan secara eksponensial dilemahkan oleh koefisien τ/τc. Untuk sumber cahaya Gaussian dengan bentuk spektral, untuk memastikan bahwa frekuensi ketukan memiliki lebih dari 90% visibilitas, hubungan antara lebar garis sumber cahaya dan panjang penginderaan maksimum yang dapat dicapai oleh sistem adalah Lmax ~ 0,04VG/F, yang berarti bahwa untuk serat dengan panjang 80 km, lebar garis dari sumber cahaya lebih dari 100 hz. Selain itu, pengembangan aplikasi lain juga mengajukan persyaratan yang lebih tinggi untuk linewidth dari sumber cahaya. Misalnya, dalam sistem hidrofon serat optik, linewidth dari sumber cahaya menentukan kebisingan sistem dan juga menentukan sinyal minimum yang dapat diukur dari sistem. Dalam reflektor domain waktu optik Brillouin (BOTDR), resolusi pengukuran suhu dan tegangan terutama ditentukan oleh linewidth dari sumber cahaya. Dalam gyro 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 gyro serat optik.
1.2 Persyaratan untuk Sumber Laser Sapuan
Laser sapuan panjang gelombang tunggal memiliki kinerja tuning panjang gelombang yang fleksibel, dapat menggantikan beberapa laser panjang gelombang tetap output, mengurangi biaya konstruksi sistem, merupakan bagian yang sangat diperlukan dari sistem penginderaan serat optik. Misalnya, dalam penginderaan serat gas jejak, berbagai jenis gas memiliki puncak penyerapan gas yang berbeda. Untuk memastikan efisiensi penyerapan cahaya ketika gas pengukuran 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 linewidth sempit dengan kinerja tuning broadband yang stabil memiliki fleksibilitas pengukuran yang lebih tinggi dalam sistem penginderaan tersebut. Sebagai contoh, dalam beberapa sistem penginderaan serat optik terdistribusi berdasarkan refleksi domain frekuensi optik, laser perlu dengan cepat disapu secara berkala untuk mencapai deteksi koheren presisi tinggi dan demodulasi sinyal optik, sehingga laju modulasi sumber laser memiliki persyaratan yang relatif tinggi, dan kecepatan sapuan laser yang dapat disesuaikan biasanya diperlukan hingga pm. Selain itu, laser linewidth sempit yang dapat disetel dengan panjang gelombang juga dapat banyak digunakan dalam lidar, penginderaan jauh laser dan analisis spektral resolusi tinggi dan bidang penginderaan lainnya. Untuk memenuhi persyaratan parameter kinerja tinggi bandwidth tuning, akurasi tuning dan kecepatan tuning laser panjang gelombang tunggal di bidang penginderaan serat, tujuan keseluruhan untuk mempelajari laser serat lebar-lebar yang dapat diurung dalam beberapa tahun terakhir adalah untuk mencapai tuning-presisi yang lebih tinggi dalam rentang panjang gelombang yang ultri-lin-starrum dalam kisaran panjang yang ultra-narrak dalam kisaran ultri-narrow lin. frekuensi dan kekuatan.
1.3 Permintaan untuk 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, saat menggunakan Fiber Bragg Grating (FBG) untuk membangun jaringan sensor, analisis spektral atau metode pencocokan filter yang dapat digunakan dapat digunakan untuk demodulasi. Yang pertama menggunakan spektrometer untuk secara langsung menguji setiap panjang gelombang resonansi FBG dalam jaringan. Yang terakhir menggunakan filter referensi untuk melacak dan mengkalibrasi FBG dalam penginderaan, yang keduanya membutuhkan sumber cahaya broadband sebagai sumber cahaya uji untuk FBG. Karena setiap jaringan akses FBG akan memiliki kehilangan penyisipan tertentu, dan memiliki bandwidth lebih dari 0,1 nm, demodulasi simultan dari beberapa FBG membutuhkan sumber cahaya broadband dengan daya tinggi dan bandwidth tinggi. Misalnya, saat menggunakan Fiber Grating (LPFG) periode panjang untuk penginderaan, karena bandwidth dari puncak kerugian tunggal berada dalam urutan 10 nm, sumber cahaya spektrum luas dengan bandwidth yang cukup dan spektrum yang relatif datar diperlukan untuk secara akurat mengkarakterisasi karakteristik puncak resonannya. Secara khusus, kisi serat akustik (AIFG) yang dibangun dengan memanfaatkan efek akusto-optik dapat mencapai rentang tuning panjang gelombang resonansi hingga 1000 nm dengan cara penyetelan listrik. Oleh karena itu, pengujian kisi-kisi dinamis dengan rentang tuning yang sangat lebar menimbulkan tantangan besar untuk rentang bandwidth dari sumber cahaya spektrum lebar. Demikian pula, dalam beberapa tahun terakhir, kisi -kisi serat Bragg miring juga telah banyak digunakan di bidang penginderaan serat. Karena karakteristik spektrum kehilangan multi-puncak, rentang distribusi panjang gelombang biasanya dapat mencapai 40 nm. Mekanisme penginderaannya biasanya untuk membandingkan gerakan relatif di antara beberapa puncak transmisi, sehingga perlu untuk mengukur spektrum transmisinya sepenuhnya. Bandwidth dan kekuatan sumber cahaya spektrum lebar harus lebih tinggi.
2. Status Penelitian di Dalam dan Luar Negeri
2.1 Sumber cahaya laser linewidth sempit
2.1.1 Laser Umpan Balik Terdistribusi semikonduktor sempit
Pada tahun 2006, klise et al. mengurangi skala semikonduktor MHzLaser DFB(Laser umpan balik terdistribusi) ke skala KHZ menggunakan metode umpan balik listrik; Pada 2011, Kessler et al. menggunakan suhu rendah dan stabilitas tinggi rongga kristal tunggal dikombinasikan dengan kontrol umpan balik aktif untuk mendapatkan output laser linewidth ultra-narrow dari 40 MHz; Pada 2013, Peng et al memperoleh output laser semikonduktor dengan linewidth 15 kHz dengan menggunakan metode penyesuaian umpan balik eksternal Fabry-Perot (FP). Metode umpan balik listrik terutama menggunakan umpan balik stabilisasi frekuensi pond-drever-aula untuk membuat laser linewidth dari sumber cahaya dikurangi. Pada 2010, Bernhardi et al. Diproduksi 1 cm FBG alumina yang didoping erbium pada substrat silikon oksida untuk mendapatkan output laser dengan lebar garis sekitar 1,7 kHz. Pada tahun yang sama, Liang et al. 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 output laser lebar garis sempit 160 Hz.
Gbr. 1 (a) Diagram kompresi laser laser semikonduktor berdasarkan hamburan rayleigh injeksi diri dari resonator mode galeri bisikan eksternal;
(B) Spektrum frekuensi laser semikonduktor berlari bebas dengan linewidth 8 MHz;
(c) Spektrum frekuensi laser dengan linewidth dikompresi hingga 160 Hz
2.1.2 laser serat linewidth sempit
Untuk laser serat rongga linier, output laser linewidth sempit dari mode longitudinal tunggal diperoleh dengan memperpendek panjang resonator dan meningkatkan interval mode longitudinal. Pada tahun 2004, Spiegelberg et al. memperoleh output laser linewidth sempit tunggal dengan linewidth 2 kHz dengan menggunakan metode rongga pendek DBR. Pada 2007, Shen et al. Digunakan serat silikon 2 cm yang sangat erbium untuk menulis FBG pada serat fotosensitif dua ge yang dikumpulkan, dan menyatu dengan serat aktif untuk membentuk rongga linier yang ringkas, membuat lebar garis output laser kurang dari 1 kHz. Pada 2010, Yang et al. Digunakan rongga linier pendek 2cm yang sangat didoping dikombinasikan dengan filter FBG sparitband untuk mendapatkan output laser mode longitudinal tunggal dengan lebar garis kurang dari 2 kHz. Pada tahun 2014, tim menggunakan rongga linier pendek (resonator cincin lipat virtual) yang dikombinasikan dengan filter FBG-FP untuk mendapatkan output laser dengan lebar garis yang lebih sempit, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Pada 2012, Cai et al. menggunakan struktur rongga pendek 1.4cm untuk mendapatkan output laser polarisasi dengan daya output lebih besar dari 114 MW, panjang gelombang pusat 1540.3 nm, dan lebar garis 4,1 kHz. Pada 2013, Meng et al. Sambuhan brillouin yang digunakan serat yang didoping erbium dengan rongga cincin pendek dari perangkat pengawet bias penuh untuk mendapatkan mode longitudinal tunggal, output laser noise fase rendah dengan daya output 10 mW. Pada tahun 2015, tim menggunakan rongga cincin yang terdiri dari serat 45 cm erbium-doped sebagai media penguatan hamburan Brillouin untuk mendapatkan ambang batas rendah dan output laser linewidth yang sempit.
Gbr. 2 (a) Gambar skematik dari laser serat SLC;
(B) Lineshape dari sinyal heterodyne diukur dengan penundaan serat 97,6 km
Waktu posting: Nov-20-2023