İçin lazer kaynak teknolojisioptik fiberBirinci Algılama Bölümü
Optik fiber algılama teknolojisi, optik fiber teknolojisi ve optik fiber iletişim teknolojisi ile birlikte geliştirilen bir tür algılama teknolojisidir ve fotoelektrik teknolojinin en aktif dallarından biri haline gelmiştir. Optik fiber algılama sistemi esas olarak lazer, şanzıman fiber, algılama elemanı veya modülasyon alanı, ışık algılama ve diğer parçalardan oluşur. Işık dalgasının özelliklerini tanımlayan parametreler arasında yoğunluk, dalga boyu, faz, polarizasyon durumu vb. Örneğin, sıcaklık, gerinim, basınç, akım, yer değiştirme, titreşim, dönme, bükülme ve kimyasal miktar optik yolu etkilediğinde, bu parametreler buna bağlı olarak değişir. Optik fiber algılama, karşılık gelen fiziksel miktarları tespit etmek için bu parametreler ve dış faktörler arasındaki ilişkiye dayanır.
Birçok tür varlazer kaynağıİki kategoriye ayrılabilen optik fiber algılama sistemlerinde kullanılır: tutarlılazer kaynaklarıve tutarsız ışık kaynakları, tutarsızIşık KaynaklarıTemel olarak akkor ışık ve ışık yayan diyotlar içerir ve tutarlı ışık kaynakları katı lazerler, sıvı lazerler, gaz lazerleri,yarı iletken lazerVefiber lazer. Aşağıdakiler esas olarakLazer Işık KaynağıSon yıllarda fiber algılama alanında yaygın olarak kullanılır: dar çizgi genişliği tek frekanslı lazer, tek dalga boyu tarama frekans lazeri ve beyaz lazer.
1.1 Dar çizgi genişliği için gereksinimlerLazer Işık Kaynakları
Optik fiber algılama sistemi lazer kaynağından ayrılamaz, çünkü ölçülen sinyal taşıyıcı ışık dalgası, lazer ışık kaynağı güç stabilitesi, lazer hat genişliği, faz gürültüsü ve optik fiber algılama sistemi tespit mesafesi, tespit doğruluğu, duyarlılık ve gürültü karakteristikleri belirleyici bir rol oynar. Son yıllarda, uzun mesafeli ultra yüksek çözünürlüklü optik algılama sistemlerinin geliştirilmesiyle, akademi ve endüstri, lazer minyatürleştirmenin hat genişliği performansı için esas olarak şu şekilde daha katı gereksinimler ortaya koymuştur: optik frekans alanı yansıması (OFDR), optik fiberler, bowling'lerde optik fiber müttefikleri analiz etmek için uyumlu bir tespit teknolojisini kullanır (bowlar, metinleri analiz etmek için (metinler), metinler ile analiz etmek için (metinler), metinler ile analiz etmek için (metinler), metinler ile analiz eder ( Yüksek çözünürlüklü (milimetre düzeyinde çözünürlük) ve yüksek hassasiyetin (-100 dBm'ye kadar) avantajları, dağıtılmış optik fiber ölçüm ve algılama teknolojisinde geniş uygulama beklentileri olan teknolojilerden biri haline gelmiştir. OFDR teknolojisinin çekirdeği, optik frekans ayarını elde etmek için ayarlanabilir ışık kaynağı kullanmaktır, bu nedenle lazer kaynağının performansı OFDR algılama aralığı, duyarlılık ve çözünürlük gibi anahtar faktörleri belirler. Yansıma noktası mesafesi tutarlılık uzunluğuna yakın olduğunda, vuruş sinyalinin yoğunluğu τ/τc katsayısı ile katlanarak zayıflatılacaktır. Spektral bir şekle sahip bir Gauss ışık kaynağı için, vuruş frekansının% 90'dan fazla görünürlüğe sahip olmasını sağlamak için, ışık kaynağının çizgi genişliği ile sistemin elde edebileceği maksimum algılama uzunluğu arasındaki ilişki, yani 80 km uzunluğunda bir fiber için, ışık kaynağının çizgi genişliği 100 Hz'den daha azdır. Buna ek olarak, diğer uygulamaların geliştirilmesi, ışık kaynağının hat genişliği için daha yüksek gereksinimler ortaya koymuştur. Örneğin, optik fiber hidrofon sisteminde, ışık kaynağının hat genişliği sistem gürültüsünü belirler ve ayrıca sistemin minimum ölçülebilir sinyalini belirler. Brillouin optik zaman alanı reflektörü (BOTDR), sıcaklık ve stresin ölçüm çözünürlüğü esas olarak ışık kaynağının hat genişliği ile belirlenir. Bir rezonatör fiber optik gyroda, ışık dalgasının tutarlılık uzunluğu, ışık kaynağının çizgi genişliğini azaltarak arttırılabilir, böylece rezonatörün inceliğini ve rezonans derinliğini iyileştirir, rezonatörün çizgi genişliğini azaltır ve fiber optik gyro'nun ölçüm hassasiyetini sağlar.
1.2 Süpürme Lazer Kaynakları için Gereksinimler
Tek dalga boyu süpürme lazeri esnek dalga boyu ayarlama performansına sahiptir, çoklu çıkış sabit dalga boyu lazerlerinin yerini alabilir, sistem yapımının maliyetini azaltabilir, optik fiber algılama sisteminin vazgeçilmez bir parçasıdır. Örneğin, eser gaz lifi algılamasında, farklı gaz türleri farklı gaz emme zirvelerine sahiptir. Ölçüm gazı yeterli olduğunda ışık emme verimliliğini sağlamak ve daha yüksek ölçüm hassasiyeti elde etmek için, şanzıman ışık kaynağının dalga boyunu gaz molekülünün emme tepe noktasıyla hizalamak gerekir. Tespit edilebilen gaz türü esasen algılama ışık kaynağının dalga boyu ile belirlenir. Bu nedenle, kararlı geniş bant ayarlama performansına sahip dar çizgi genişliği lazerleri, bu tür algılama sistemlerinde daha yüksek ölçüm esnekliğine sahiptir. Örneğin, optik frekans alanı yansımasına dayanan bazı dağıtılmış optik fiber algılama sistemlerinde, lazerin yüksek hassasiyetli tutarlı tespit ve optik sinyallerin demodülasyonu elde etmek için hızla periyodik olarak süpürülmesi gerekir, bu nedenle lazer kaynağının modülasyon oranı nispeten yüksek gereksinimlere sahiptir ve ayarlanabilir lazerlerin süpürme hızı genellikle 10 pm/μs'e ulaşmak için gereklidir. Ek olarak, dalga boyu ayarlanabilir dar çizgi genişliği lazer, LIDAR, lazer uzaktan algılama ve yüksek çözünürlüklü spektral analiz ve diğer algılama alanlarında da yaygın olarak kullanılabilir. Bant genişliğinin yüksek performanslı parametrelerinin gereksinimlerini karşılamak, fiber algılama alanındaki tek dalga boyu lazerlerin ayar doğruluğu ve ayar hızı, son yıllarda ayarlanabilir dar genişlikli fiber lazerleri incelemenin genel amacı, ultra-narrow-bükülme ve ultral-ülsir, daha büyük bir daldırma aralığı elde etmektir ve ultravat, ultral-ülsere, ultravar-ülsir, ultral-çentik aralığı, ultral-bükülebilir ve daha büyük bir dalga, ultravar, ultra gürültü aralığında, ultra gürültü aralığında, ultravar ve ultravar, ultral-üsleme aralığında, takip eden ultravar ve son derece, ultravar ve daha büyük bir dalgalanma aralığı elde etmektir. çıkış frekansı ve güç.
1.3 Beyaz Lazer Işık Kaynağı Talebi
Optik algılama alanında, yüksek kaliteli beyaz ışık lazeri sistemin performansını artırmak için büyük önem taşımaktadır. Beyaz ışık lazerinin spektrum kapsamı ne kadar geniş olursa, optik fiber algılama sistemindeki uygulaması o kadar kapsamlı olur. Örneğin, bir sensör ağı oluşturmak için fiber bragg ızgarası (FBG) kullanılırken, demodülasyon için spektral analiz veya ayarlanabilir filtre eşleştirme yöntemi kullanılabilir. Birincisi, ağdaki her FBG rezonant dalga boyunu doğrudan test etmek için bir spektrometre kullandı. İkincisi, her ikisi de FBG için bir test ışık kaynağı olarak geniş bant ışık kaynağı gerektiren algılamadaki FBG'yi izlemek ve kalibre etmek için bir referans filtresi kullanır. Her FBG erişim ağının belirli bir ekleme kaybına sahip olacağından ve 0.1 nm'den fazla bir bant genişliğine sahip olacağından, birden fazla FBG'nin eşzamanlı demodülasyonu, yüksek güç ve yüksek bant genişliğine sahip bir geniş bant ışık kaynağı gerektirir. Örneğin, algılama için uzun süreli fiber ızgara (LPFG) kullanılırken, tek bir kayıp zirvesinin bant genişliği 10 nm sırasındadır, rezonant tepe karakteristiklerini doğru bir şekilde karakterize etmek için yeterli bant genişliğine ve nispeten düz spektrumlara sahip geniş bir spektrum ışık kaynağı gereklidir. Özellikle, akustik-optik etki kullanılarak inşa edilen akustik fiber ızgaralama (AIFG), elektrik ayarlama yoluyla 1000 nm'ye kadar rezonant dalga boyu ayarlama aralığı elde edebilir. Bu nedenle, böyle ultra geniş bir ayar aralığı ile dinamik ızgara testi, geniş spektrumlu bir ışık kaynağının bant genişliği aralığına büyük bir meydan okuma oluşturmaktadır. Benzer şekilde, son yıllarda, fiber algılama alanında eğik Bragg fiber ızgarası da yaygın olarak kullanılmıştır. Çok tepeli kayıp spektrum özellikleri nedeniyle, dalga boyu dağılım aralığı genellikle 40 nm'ye ulaşabilir. Algılama mekanizması genellikle çoklu iletim pikleri arasındaki göreceli hareketi karşılaştırmaktır, bu nedenle iletim spektrumunu tamamen ölçmek gerekir. Geniş spektrum ışık kaynağının bant genişliği ve gücünün daha yüksek olması gerekir.
2. Yurtiçinde ve yurtdışında araştırma durumu
2.1 Dar çizgi genişliği lazer ışık kaynağı
2.1.1 Dar çizgi genişliği Yarıiletken Dağıtılmış Geri Bildirim Lazeri
2006 yılında Cliche ve ark. yarı iletkenin MHz ölçeğini azalttıDFB lazer(dağıtılmış geri bildirim lazeri) elektriksel geri besleme yöntemi kullanarak KHZ ölçeğine; 2011 yılında Kessler ve ark. 40 MHz Ultra Narrow Linewidth Lazer Çıkışı elde etmek için düşük sıcaklık ve yüksek stabilite tek kristal boşluk aktif geri besleme kontrolü ile birleştirilmiş; 2013 yılında Peng ve arkadaşları, harici Fabry-Perot (FP) geri besleme ayarı yöntemini kullanarak 15 kHz'lik bir hat genişliği ile bir yarı iletken lazer çıkışı elde etmişlerdir. Elektriksel geri besleme yöntemi esas olarak ışık kaynağının lazer hat genişliğinin azaltılmasını sağlamak için havuz-cüzdan salonu frekans stabilizasyon geri bildirimini kullandı. 2010 yılında Bernhardi ve ark. yaklaşık 1.7 kHz'lik bir hat genişliğine sahip bir lazer çıkışı elde etmek için bir silikon oksit substratı üzerinde 1 cm erbium katkılı alümina FBG üretti. Aynı yıl, Liang ve ark. Şekil 1'de gösterildiği gibi yarı iletken lazer hat-genişlik sıkıştırması için bir High Q eko duvar rezonatörünün oluşturduğu geriye dönük Rayleigh saçılımının kendi kendine enjeksiyon geri bildirimini kullandı ve son olarak 160 Hz dar bir çizgi genişliği lazer çıkışı elde etti.
Şekil 1 (a) Harici fısıltılı galeri modu rezonatörünün kendi kendine enjeksiyon Rayleigh saçılmasına dayanan yarı iletken lazer hat genişliği sıkıştırmasının diyagramı;
(b) 8 MHz'lik hat genişliğine sahip serbest çalışan yarı iletken lazerin frekans spektrumu;
(c) Lazerin frekans spektrumu, hat genişliği ile 160 Hz'e sıkıştırılmış
2.1.2 Dar çizgi genişliği fiber lazer
Doğrusal boşluk fiber lazerler için, tek uzunlamasına modun dar hat genişliği lazer çıkışı, rezonatörün uzunluğunu kısaltarak ve uzunlamasına mod aralığının arttırılmasıyla elde edilir. 2004 yılında Spiegelberg ve ark. DBR kısa boşluk yöntemi kullanılarak 2 kHz'lik bir hat genişliği ile tek bir uzunlamasına mod dar çizgi genişliği lazer çıkışı elde etti. 2007'de Shen ve ark. Bi-ge birlikte katkılı bir ışığa duyarlı fiber üzerine FBG yazmak için 2 cm ağır erbium katkılı silikon fiber kullandı ve kompakt bir doğrusal boşluk oluşturmak için aktif bir fiber ile kaynaştırarak lazer çıkış çizgisi genişliğini 1 kHz'den daha az hale getirdi. 2010 yılında Yang ve ark. 2 kHz'den daha az bir hat genişliğine sahip tek bir uzunlamasına mod lazer çıkışı elde etmek için bir dar bant FBG filtresi ile birleştirilmiş 2 cm yüksek katliamlı kısa doğrusal boşluk kullanılmıştır. 2014 yılında ekip, Şekil 3'te gösterildiği gibi, Cai ve ark. 114 MW'dan büyük bir çıkış gücü, 1540.3 nm merkezi dalga boyu ve 4.1 kHz'lik bir çizgi genişliği ile polarize bir lazer çıkışı elde etmek için 1.4 cm'lik bir kısa boşluk yapısı kullandı. 2013 yılında Meng ve ark. 10 MW'lık bir çıkış gücüne sahip tek uzun bir mod, düşük fazlı gürültü lazer çıkışı elde etmek için tam önyargılı bir koruma cihazının kısa bir halka boşluğu ile erbium katkılı lifin brillouin saçılması. 2015 yılında ekip, düşük eşik ve dar bir çizgi genişliği lazer çıkışı elde etmek için Brillouin saçılma kazancı ortamı olarak 45 cm erbium katkılı fiberden oluşan bir halka boşluğu kullandı.
Şekil 2 (a) SLC fiber lazerin şematik çizimi;
(b) 97.6 km lif gecikmesi ile ölçülen heterodin sinyalinin lineshape
Gönderme Zamanı: Kasım-20-2023