Teknologi sumber laser untukserat optikpenginderaan Bagian Satu
Teknologi penginderaan serat optik merupakan salah satu jenis teknologi penginderaan yang dikembangkan seiring dengan perkembangan 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 komponen lainnya. Parameter yang menggambarkan karakteristik gelombang cahaya meliputi intensitas, panjang gelombang, fase, dan polarisasi. Parameter-parameter ini dapat berubah akibat pengaruh eksternal dalam transmisi serat optik. Misalnya, ketika suhu, regangan, tekanan, arus, perpindahan, getaran, rotasi, tekukan, dan kuantitas kimia memengaruhi lintasan optik, parameter-parameter ini pun berubah. Penginderaan serat optik didasarkan pada hubungan antara parameter-parameter ini dan faktor eksternal untuk mendeteksi besaran fisis 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 mencakup lampu pijar dan dioda pemancar cahaya, dan sumber cahaya koheren meliputi laser padat, laser cair, laser gas,laser semikonduktorDanlaser seratBerikut ini terutama untuksumber cahaya laserbanyak digunakan dalam bidang penginderaan serat 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 yang sempitsumber cahaya laser
Sistem penginderaan serat optik tidak dapat dipisahkan dari sumber laser. Sebagai pembawa sinyal yang diukur, gelombang cahaya dan kinerja sumber cahaya laser itu sendiri, seperti stabilitas daya, lebar garis laser, derau fase, dan parameter lainnya, memainkan peran penting dalam jarak deteksi, akurasi deteksi, sensitivitas, dan karakteristik derau pada sistem penginderaan serat optik. Dalam beberapa tahun terakhir, seiring 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) menggunakan teknologi deteksi koheren untuk menganalisis sinyal hamburan backrayleigh serat optik dalam domain frekuensi, dengan cakupan yang luas (ribuan meter). Keunggulan resolusi tinggi (resolusi tingkat milimeter) dan sensitivitas tinggi (hingga -100 dBm) telah menjadi salah satu teknologi dengan prospek aplikasi yang luas dalam pengukuran dan penginderaan serat optik terdistribusi. Inti dari teknologi OFDR adalah penggunaan 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 refleksi dekat dengan panjang koherensi, intensitas sinyal ketukan akan dilemahkan secara eksponensial oleh koefisien τ/τc. Untuk sumber cahaya Gaussian dengan bentuk spektral, untuk memastikan bahwa frekuensi ketukan 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 mengajukan persyaratan yang lebih tinggi untuk lebar garis sumber cahaya. Misalnya, dalam sistem hidrofon serat optik, lebar garis sumber cahaya menentukan derau 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. Dalam giro 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 keakuratan pengukuran giro 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 tak terpisahkan dari sistem penginderaan serat optik. Misalnya, dalam penginderaan serat gas jejak, berbagai jenis gas memiliki puncak serapan gas yang berbeda. Untuk memastikan efisiensi penyerapan cahaya ketika gas pengukuran mencukupi dan mencapai sensitivitas pengukuran yang lebih tinggi, perlu menyelaraskan panjang gelombang sumber cahaya transmisi dengan puncak serapan molekul gas. Jenis gas yang dapat dideteksi pada dasarnya ditentukan oleh panjang gelombang sumber cahaya penginderaan. Oleh karena itu, laser dengan lebar garis 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 berkala dan cepat 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 untuk mencapai 10 pm/μs. Selain itu, laser lebar garis sempit yang dapat disetel panjang gelombangnya juga dapat digunakan secara luas dalam LiDAR, penginderaan jarak jauh laser, analisis spektral resolusi tinggi, dan bidang penginderaan lainnya. Untuk memenuhi persyaratan parameter kinerja tinggi pada lebar pita penyetelan, akurasi penyetelan, dan kecepatan penyetelan laser panjang gelombang tunggal di bidang penginderaan serat, tujuan utama penelitian laser serat lebar sempit yang dapat disetel dalam beberapa tahun terakhir adalah untuk mencapai penyetelan presisi tinggi pada rentang panjang gelombang yang lebih besar berdasarkan pada pencapaian lebar garis laser yang sangat sempit, derau fase yang sangat rendah, serta frekuensi dan daya keluaran yang sangat stabil.
1.3 Permintaan sumber cahaya laser putih
Dalam bidang penginderaan optik, laser cahaya putih berkualitas tinggi sangat penting untuk meningkatkan kinerja sistem. Semakin luas cakupan spektrum laser cahaya putih, semakin luas pula aplikasinya dalam sistem penginderaan serat optik. Misalnya, ketika menggunakan kisi Bragg serat (FBG) untuk membangun jaringan sensor, analisis spektral atau metode pencocokan filter yang dapat disetel dapat digunakan untuk demodulasi. Yang pertama menggunakan spektrometer untuk menguji secara langsung setiap panjang gelombang resonansi FBG dalam jaringan. Yang terakhir menggunakan filter referensi untuk melacak dan mengkalibrasi FBG dalam penginderaan, yang keduanya memerlukan sumber cahaya pita lebar sebagai sumber cahaya uji untuk FBG. Karena setiap jaringan akses FBG akan memiliki rugi penyisipan tertentu, dan memiliki lebar pita lebih dari 0,1 nm, demodulasi simultan beberapa FBG memerlukan sumber cahaya pita lebar dengan daya tinggi dan lebar pita tinggi. Misalnya, ketika menggunakan kisi serat periode panjang (LPFG) untuk penginderaan, karena lebar pita puncak rugi tunggal berada di kisaran 10 nm, sumber cahaya spektrum luas dengan lebar pita yang memadai dan spektrum yang relatif datar diperlukan untuk mengkarakterisasi karakteristik puncak resonansinya secara akurat. Khususnya, kisi serat akustik (AIFG) yang dibangun dengan memanfaatkan efek akustik-optik dapat mencapai rentang tala panjang gelombang resonansi hingga 1000 nm melalui penyetelan elektrik. Oleh karena itu, pengujian kisi dinamis dengan rentang tala yang sangat lebar tersebut menimbulkan tantangan besar bagi rentang lebar pita sumber cahaya spektrum lebar. Demikian pula, dalam beberapa tahun terakhir, kisi serat Bragg miring juga telah banyak digunakan dalam bidang penginderaan serat. Karena karakteristik spektrum rugi multi-puncaknya, rentang distribusi panjang gelombang biasanya dapat mencapai 40 nm. Mekanisme penginderaannya biasanya membandingkan pergerakan relatif di antara beberapa puncak transmisi, sehingga spektrum transmisinya perlu diukur 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 et al. mengurangi skala MHz semikonduktorLaser DFB(laser umpan balik terdistribusi) ke 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 memperoleh keluaran laser lebar garis ultra-sempit sebesar 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 sumber cahaya. Pada tahun 2010, Bernhardi dkk. memproduksi 1 cm FBG alumina terdoping erbium pada substrat silikon oksida untuk memperoleh keluaran laser dengan lebar garis sekitar 1,7 kHz. Pada tahun yang sama, Liang dkk. menggunakan umpan balik injeksi sendiri 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 lebar garis sempit sebesar 160 Hz.
Gbr. 1 (a) Diagram kompresi garis lebar laser semikonduktor berdasarkan hamburan Rayleigh injeksi sendiri dari resonator mode galeri bisikan eksternal;
(b) Spektrum frekuensi laser semikonduktor berjalan bebas dengan lebar garis 8 MHz;
(c) Spektrum frekuensi laser dengan lebar garis dikompresi menjadi 160 Hz
2.1.2 Laser serat dengan lebar garis sempit
Untuk laser serat rongga linear, 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 dengan menggunakan metode rongga pendek DBR. Pada tahun 2007, Shen dkk. menggunakan serat silikon erbium-doped berat 2 cm untuk menulis FBG pada serat fotosensitif Bi-Ge co-doped, dan menggabungkannya dengan serat aktif untuk membentuk rongga linear kompak, membuat lebar garis keluaran lasernya kurang dari 1 kHz. Pada tahun 2010, Yang dkk. menggunakan rongga linear pendek 2 cm yang sangat terdoping dikombinasikan dengan filter FBG pita sempit untuk memperoleh keluaran laser mode longitudinal tunggal dengan lebar garis kurang dari 2 kHz. Pada tahun 2014, tim menggunakan rongga linear pendek (resonator cincin terlipat 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 terdoping erbium dengan rongga cincin pendek dari perangkat pengawet bias penuh untuk mendapatkan keluaran laser mode longitudinal tunggal, derau fase rendah dengan daya keluaran 10 mW. Pada tahun 2015, tim menggunakan rongga cincin yang terdiri dari serat terdoping erbium 45 cm sebagai media penguatan hamburan Brillouin untuk mendapatkan keluaran laser ambang rendah dan lebar garis sempit.
Gambar 2 (a) Gambar skema laser serat SLC;
(b) Bentuk garis sinyal heterodyne yang diukur dengan penundaan serat 97,6 km
Waktu posting: 20-Nov-2023