Teknologi sumber laser untukserat optikmerasakan Bagian Satu
Teknologi penginderaan serat optik adalah salah satu jenis teknologi penginderaan yang dikembangkan bersama 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, tekukan, dan kuantitas kimia memengaruhi jalur optik, parameter-parameter ini pun berubah.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 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 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 lebar garis sempitsumber cahaya laser
Sistem penginderaan serat optik tidak dapat dipisahkan dari sumber laser, sebagai gelombang cahaya pembawa sinyal yang diukur, kinerja sumber cahaya laser itu sendiri, seperti stabilitas daya, lebar garis laser, kebisingan fase dan parameter lainnya pada jarak deteksi sistem penginderaan serat optik, deteksi akurasi, sensitivitas dan karakteristik kebisingan memainkan peran yang menentukan.Dalam beberapa tahun terakhir, dengan berkembangnya 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 koheren teknologi deteksi untuk menganalisis sinyal backrayleigh yang tersebar 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 menjadi salah satu teknologi dengan prospek penerapan 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 refleksi mendekati panjang koherensi, intensitas sinyal denyut akan dilemahkan secara eksponensial sebesar koefisien τ/τc.Untuk sumber cahaya Gaussian dengan bentuk spektral, untuk memastikan bahwa frekuensi detak memiliki visibilitas lebih dari 90%, hubungan antara lebar garis sumber cahaya dan panjang penginderaan maksimum yang dapat dicapai sistem adalah Lmax~0,04vg /f, artinya untuk serat dengan panjang 80 km, lebar garis sumber cahaya kurang dari 100 Hz.Selain itu, pengembangan aplikasi lain juga mengedepankan persyaratan yang lebih tinggi untuk lebar garis sumber cahaya.Misalnya, dalam sistem hidrofon serat optik, lebar garis 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 lebar garis 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 pengukuran keakuratan gyro serat optik.
1.2 Persyaratan untuk sumber laser penyapu
Laser sapuan panjang gelombang tunggal memiliki kinerja penyetelan panjang gelombang yang fleksibel, dapat menggantikan beberapa laser dengan panjang gelombang tetap keluaran, mengurangi biaya konstruksi sistem, merupakan bagian tak terpisahkan dari sistem penginderaan serat optik.Misalnya, dalam penginderaan serat gas jejak, jenis gas yang berbeda 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 lebar garis sempit dengan kinerja penyetelan broadband 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 dengan 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 malam/μs.Selain itu, laser lebar garis sempit yang dapat disetel dengan panjang gelombang 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, tujuan keseluruhan dari mempelajari laser serat lebar sempit yang dapat disetel dalam beberapa tahun terakhir adalah untuk mencapai tinggi- penyetelan presisi dalam rentang panjang gelombang yang lebih besar berdasarkan mengejar lebar garis laser yang sangat sempit, kebisingan fase yang sangat rendah, serta frekuensi dan daya keluaran yang sangat stabil.
1.3 Permintaan 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 penerapannya dalam sistem penginderaan serat optik.Misalnya, ketika menggunakan fiber Bragg grating (FBG) untuk membangun jaringan sensor, analisis spektral atau metode pencocokan filter merdu 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, keduanya memerlukan sumber cahaya broadband sebagai sumber cahaya uji untuk FBG.Karena setiap jaringan akses FBG akan mengalami kerugian penyisipan tertentu, dan memiliki bandwidth lebih dari 0,1 nm, demodulasi beberapa FBG secara simultan memerlukan sumber cahaya broadband dengan daya tinggi dan bandwidth tinggi.Misalnya, ketika menggunakan long period fiber grating (LPFG) untuk penginderaan, karena bandwidth dari puncak kerugian tunggal berada di urutan 10 nm, sumber cahaya spektrum luas dengan bandwidth yang cukup dan spektrum yang relatif datar diperlukan untuk mengkarakterisasi resonansinya secara akurat. karakteristik puncak.Secara khusus, kisi serat akustik (AIFG) yang dibuat dengan memanfaatkan efek akustik-optik dapat mencapai rentang penyetelan panjang gelombang resonansi hingga 1000 nm melalui penyetelan listrik.Oleh karena itu, pengujian kisi dinamis dengan rentang penyetelan yang sangat lebar menimbulkan tantangan besar terhadap rentang bandwidth sumber cahaya spektrum luas.Demikian pula, dalam beberapa tahun terakhir, kisi serat Bragg yang dimiringkan 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 antara beberapa puncak transmisi, sehingga spektrum transmisinya perlu diukur secara lengkap.Bandwidth dan daya sumber cahaya spektrum luas harus lebih tinggi.
2. Status penelitian di dalam dan luar negeri
2.1 Sumber cahaya laser lebar garis sempit
2.1.1 Laser umpan balik terdistribusi semikonduktor lebar garis sempit
Pada tahun 2006, Kliche dkk.mengurangi skala MHz semikonduktorlaser 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 dikombinasikan dengan kontrol umpan balik aktif untuk mendapatkan keluaran laser 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 eksternal Fabry-Perot (FP).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.menghasilkan 1 cm FBG alumina yang didoping erbium 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 mandiri 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 160 Hz.
Gambar 1 (a) Diagram kompresi lebar garis laser semikonduktor berdasarkan hamburan Rayleigh injeksi mandiri dari resonator mode galeri bisikan eksternal;
(b) Spektrum frekuensi laser semikonduktor yang berjalan bebas dengan lebar saluran 8 MHz;
(c) Spektrum frekuensi laser dengan lebar garis dikompresi hingga 160 Hz
2.1.2 Laser serat dengan lebar garis sempit
Untuk laser serat rongga linier, keluaran laser lebar garis sempit dari mode memanjang tunggal diperoleh dengan memperpendek panjang resonator dan meningkatkan interval mode memanjang.Pada tahun 2004, Spiegelberg dkk.memperoleh keluaran laser 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 yang didoping erbium berat berukuran 2 cm untuk menulis FBG pada serat fotosensitif yang didoping bersama Bi-Ge, dan menggabungkannya dengan serat aktif untuk membentuk rongga linier kompak, membuat lebar garis keluaran lasernya kurang dari 1 kHz.Pada tahun 2010, Yang dkk.menggunakan rongga linier pendek berdoping tinggi berukuran 2 cm yang dikombinasikan dengan filter FBG pita sempit untuk mendapatkan keluaran 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 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 doping erbium dengan rongga cincin pendek dari perangkat pengawet bias penuh untuk mendapatkan mode longitudinal tunggal, keluaran laser kebisingan fase rendah dengan daya keluaran 10 mW.Pada tahun 2015, tim menggunakan rongga cincin yang terdiri dari serat doping erbium sepanjang 45 cm sebagai media penguatan hamburan Brillouin untuk mendapatkan keluaran laser dengan ambang batas rendah dan lebar garis sempit.
Gambar 2 (a) Gambar skema laser serat SLC;
(b) Bentuk garis sinyal heterodyne diukur dengan penundaan serat 97,6 km
Waktu posting: 20 November 2023