Lazer kaynağı teknolojisiOptik lifBirinci Bölüm'ü algılamak
Optik fiber algılama teknolojisi, fiber optik teknolojisi ve fiber optik iletişim teknolojisi ile birlikte geliştirilen bir tür algılama teknolojisidir ve fotoelektrik teknolojisinin en aktif dallarından biri haline gelmiştir.Optik fiber algılama sistemi esas olarak lazer, iletim fiberi, algılama elemanı veya modülasyon alanı, ışık algılama ve diğer parçalardan oluşur.Işık dalgasının özelliklerini tanımlayan parametreler arasında yoğunluk, dalga boyu, faz, polarizasyon durumu vb. yer alır. Bu parametreler, optik fiber iletimindeki dış etkilerle değiştirilebilir.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 büyüklükleri tespit etmek için bu parametreler ile dış faktörler arasındaki ilişkiye dayanmaktadır.
Birçok türü varlazer kaynağıİki kategoriye ayrılabilen fiber optik algılama sistemlerinde kullanılır: tutarlılazer kaynaklarıve tutarsız ışık kaynakları, tutarsızışık kaynaklarıesas olarak akkor ışığı ve ışık yayan diyotları içerir ve tutarlı ışık kaynakları arasında katı lazerler, sıvı lazerler, gaz lazerler,yarı iletken lazerVefiber lazer.Aşağıdakiler esas olarak şunlar içindir:lazer ışık kaynağıSon yıllarda fiber algılama alanında yaygın olarak kullanılmaktadır: dar çizgi genişlikli tek frekanslı lazer, tek dalga boylu tarama frekanslı lazer ve beyaz lazer.
1.1 Dar hat genişliğine ilişkin gereksinimlerlazer ışık kaynakları
Optik fiber algılama sistemi, ölçülen sinyal taşıyıcı ışık dalgası, güç stabilitesi, lazer hat genişliği, faz gürültüsü ve fiber optik algılama sistemi algılama mesafesi üzerindeki diğer parametreler gibi lazer ışık kaynağının performansı nedeniyle lazer kaynağından ayrılamaz, algılama doğruluk, hassasiyet ve gürültü özellikleri belirleyici bir rol oynar.Son yıllarda, uzun mesafeli ultra yüksek çözünürlüklü optik fiber algılama sistemlerinin geliştirilmesiyle birlikte, akademi ve endüstri, lazer minyatürleştirmenin hat genişliği performansı için özellikle aşağıdaki alanlarda daha katı gereksinimler ortaya koydu: optik frekans alanı yansıması (OFDR) teknolojisi tutarlı kullanır Geniş bir kapsama alanıyla (binlerce metre) frekans alanındaki optik fiberlerin arka ışına göre dağılmış sinyallerini analiz etmek için algılama teknolojisi.Yüksek çözünürlük (milimetre seviyesinde çözünürlük) ve yüksek hassasiyetin (-100 dBm'ye kadar) avantajları, dağıtılmış fiber optik ölçüm ve algılama teknolojisinde geniş uygulama potansiyeli olan teknolojilerden biri haline gelmiştir.OFDR teknolojisinin özü, optik frekans ayarını gerçekleştirmek için ayarlanabilir ışık kaynağı kullanmaktır; böylece lazer kaynağının performansı, OFDR algılama aralığı, hassasiyet ve çözünürlük gibi temel faktörleri belirler.Yansıma noktası mesafesi tutarlılık uzunluğuna yakın olduğunda, vuruş sinyalinin yoğunluğu τ/τc katsayısı kadar üstel olarak zayıflayacaktır.Spektral şekle sahip bir Gauss ışık kaynağı için, vuruş frekansının %90'dan fazla görünürlüğe sahip olmasını sağlamak amacıyla, ışık kaynağının çizgi genişliği ile sistemin elde edebileceği maksimum algılama uzunluğu arasındaki ilişki Lmax~0,04vg'dir. /f, 80 km uzunluğundaki bir fiber için ışık kaynağının çizgi genişliğinin 100 Hz'den az olduğu anlamına gelir.Ayrıca diğer uygulamaların gelişimi, ışık kaynağının hat genişliğine yönelik daha yüksek gereksinimleri ortaya çıkarmıştır.Örneğin fiber optik hidrofon sisteminde ışık kaynağının hat genişliği sistem gürültüsünü belirlediği gibi sistemin ölçülebilir minimum sinyalini de belirler.Brillouin optik zaman alanı reflektöründe (BOTDR), sıcaklık ve stresin ölçüm çözünürlüğü esas olarak ışık kaynağının çizgi genişliği tarafından belirlenir.Bir rezonatör fiber optik cayroda, ışık kaynağının çizgi genişliği azaltılarak ışık dalgasının tutarlılık uzunluğu artırılabilir, böylece rezonatörün inceliği ve rezonans derinliği iyileştirilir, rezonatörün çizgi genişliği azaltılır ve ölçümün sağlanması sağlanır. Fiber optik jiroskopun doğruluğu.
1.2 Taramalı lazer kaynakları için gereklilikler
Tek dalga boyu süpürme lazeri esnek dalga boyu ayarlama performansına sahiptir, birden fazla çıkışlı sabit dalga boyu lazerinin yerini alabilir, sistem yapım maliyetini azaltabilir, fiber optik algılama sisteminin vazgeçilmez bir parçasıdır.Örneğin, eser gaz fiberi algılamada, farklı gaz türleri farklı gaz emme tepe noktalarına sahiptir.Ölçüm gazı yeterli olduğunda ışık emme verimliliğini sağlamak ve daha yüksek ölçüm hassasiyeti elde etmek için, iletim ışık kaynağının dalga boyunu gaz molekülünün emme zirvesi ile hizalamak gerekir.Algılanabilen gazın türü esas olarak algılayan ışık kaynağının dalga boyuna göre belirlenir.Bu nedenle, istikrarlı geniş bant ayarlama performansına sahip dar hat genişlikli lazerler, bu tür algılama sistemlerinde daha yüksek ölçüm esnekliğine sahiptir.Örneğin, optik frekans alanı yansımasına dayanan bazı dağıtılmış fiber optik algılama sistemlerinde, optik sinyallerin yüksek hassasiyetli tutarlı tespiti ve demodülasyonunu sağlamak için lazerin periyodik olarak hızlı bir şekilde taranması gerekir, bu nedenle lazer kaynağının modülasyon hızı nispeten yüksek gereksinimlere sahiptir. ve ayarlanabilir lazerin tarama hızının genellikle 22 pm/μs'ye ulaşması gerekir.Buna ek olarak, dalga boyu ayarlanabilir dar çizgi genişliğine sahip lazer, liDAR, lazer uzaktan algılama ve yüksek çözünürlüklü spektral analiz ve diğer algılama alanlarında da yaygın olarak kullanılabilir.Fiber algılama alanında tek dalga boylu lazerlerin bant genişliği ayarlama, ayarlama doğruluğu ve ayarlama hızı gibi yüksek performans parametrelerinin gereksinimlerini karşılamak için, son yıllarda ayarlanabilir dar genişlikli fiber lazerler üzerinde çalışmanın genel amacı, yüksek performans elde etmektir. Ultra dar lazer çizgi genişliği, ultra düşük faz gürültüsü ve ultra kararlı çıkış frekansı ve gücü temelinde daha geniş bir dalga boyu aralığında hassas ayarlama.
1.3 Beyaz lazer ışık kaynağına olan talep
Optik algılama alanında yüksek kaliteli beyaz ışıklı lazer, sistemin performansının arttırılması açısından büyük önem taşımaktadır.Beyaz ışık lazerinin spektrum kapsamı ne kadar geniş olursa, fiber optik algılama sistemindeki uygulaması da o kadar kapsamlı olur.Örneğin, bir sensör ağı oluşturmak için fiber Bragg ızgarası (FBG) kullanıldığında, demodülasyon için spektral analiz veya ayarlanabilir filtre eşleştirme yöntemi kullanılabilir.İlki, ağdaki her FBG rezonans dalga boyunu doğrudan test etmek için bir spektrometre kullandı.İkincisi, algılamada FBG'yi izlemek ve kalibre etmek için bir referans filtre kullanır; bunların her ikisi de FBG için bir test ışık kaynağı olarak geniş bantlı bir ışık kaynağı gerektirir.Her FBG erişim ağı belirli bir ekleme kaybına sahip olacağından ve bant genişliği 0,1 nm'den fazla olacağından, birden fazla FBG'nin eş zamanlı demodülasyonu, yüksek güç ve yüksek bant genişliğine sahip geniş bantlı bir ışık kaynağı gerektirir.Örneğin, algılama için uzun periyotlu fiber ızgara (LPFG) kullanıldığında, tek bir kayıp zirvesinin bant genişliği 10 nm mertebesinde olduğundan, rezonansını doğru bir şekilde karakterize etmek için yeterli bant genişliğine ve nispeten düz spektruma sahip geniş spektrumlu bir ışık kaynağı gerekir. zirve özellikleri.Özellikle, akustik optik etki kullanılarak oluşturulan akustik fiber ızgara (AIFG), elektriksel ayarlama yoluyla 1000 nm'ye kadar rezonans dalga boyunda bir ayar aralığına ulaşabilir.Bu nedenle, bu kadar ultra geniş ayar aralığına sahip dinamik ızgara testi, geniş spektrumlu bir ışık kaynağının bant genişliği aralığı için büyük bir zorluk teşkil etmektedir.Benzer şekilde son yıllarda eğik Bragg fiber ızgarası da fiber algılama alanında yaygın olarak kullanılmaktadır.Çok tepeli kayıp spektrumu özellikleri nedeniyle dalga boyu dağılım aralığı genellikle 40 nm'ye ulaşabilir.Algılama mekanizması genellikle birden fazla iletim tepe noktası arasındaki göreceli hareketi karşılaştırmaktır, bu nedenle iletim spektrumunun tamamen ölçülmesi gerekir.Geniş spektrumlu ışık kaynağının bant genişliğinin ve gücünün daha yüksek olması gerekmektedir.
2. Yurt içi ve yurt dışındaki araştırma durumu
2.1 Dar çizgi genişlikli lazer ışık kaynağı
2.1.1 Dar hat genişlikli yarı iletken dağıtılmış geri besleme lazeri
2006 yılında Cliche ve ark.yarı iletkenin MHz ölçeğini azalttıDFB lazer(dağıtılmış geri besleme lazeri) elektriksel geri besleme yöntemini kullanarak kHz ölçeğine;2011 yılında Kessler ve ark.40 MHz'lik ultra dar çizgi genişlikli lazer çıkışı elde etmek için aktif geri besleme kontrolü ile birlikte düşük sıcaklık ve yüksek stabiliteye sahip tek kristal boşluk kullanıldı;2013 yılında Peng ve arkadaşları, harici Fabry-Perot (FP) geri besleme ayarlama yöntemini kullanarak 15 kHz hat genişliğine sahip bir yarı iletken lazer çıkışı elde etti.Elektriksel geri besleme yönteminde, ışık kaynağının lazer çizgi genişliğinin azaltılmasını sağlamak için esas olarak Pond-Drever-Hall frekans stabilizasyon geri beslemesi kullanıldı.2010 yılında Bernhardi ve ark.yaklaşık 1,7 kHz çizgi genişliğine sahip bir lazer çıkışı elde etmek için silikon oksit substrat üzerinde 1 cm erbiyum katkılı alümina FBG üretti.Aynı yıl Liang ve ark.Şekil 1'de gösterildiği gibi yarı iletken lazer çizgi genişliği sıkıştırması için yüksek Q yankı duvar rezonatörü tarafından oluşturulan geriye doğru Rayleigh saçılımının kendi kendine enjeksiyon geri bildirimini kullandı ve son olarak 160 Hz'lik dar bir çizgi genişlikli lazer çıkışı elde etti.
Şekil 1 (a) Harici fısıldayan galeri modu rezonatörünün kendi kendine enjeksiyonlu Rayleigh saçılımına dayanan yarı iletken lazer hat genişliği sıkıştırmasının şeması;
(b) 8 MHz hat genişliğine sahip serbest çalışan yarı iletken lazerin frekans spektrumu;
(c) Çizgi genişliği 160 Hz'ye sıkıştırılmış lazerin frekans spektrumu
2.1.2 Dar çizgi genişlikli fiber lazer
Doğrusal boşluklu fiber lazerler için, tek uzunlamasına modun dar çizgi genişlikli lazer çıkışı, rezonatörün uzunluğunun kısaltılması ve uzunlamasına mod aralığının arttırılmasıyla elde edilir.2004 yılında Spiegelberg ve ark.DBR kısa boşluk yöntemini kullanarak 2 kHz çizgi genişliğine sahip tek uzunlamasına modlu dar çizgi genişlikli lazer çıkışı elde etti.2007 yılında Shen ve ark.Bi-Ge ortak katkılı ışığa duyarlı fiber üzerine FBG yazmak için 2 cm'lik ağır erbiyum katkılı bir silikon fiber kullandı ve onu kompakt bir doğrusal boşluk oluşturmak için aktif bir fiberle birleştirerek lazer çıkış hattı genişliğini 1 kHz'den daha az hale getirdi.2010 yılında Yang ve ark.2 kHz'den daha az çizgi genişliğine sahip tek bir uzunlamasına modlu lazer çıkışı elde etmek için dar bantlı bir FBG filtresiyle birleştirilmiş 2 cm'lik yüksek oranda katkılı kısa doğrusal boşluk kullandı.2014 yılında ekip, Şekil 3'te gösterildiği gibi daha dar bir çizgi genişliğine sahip bir lazer çıkışı elde etmek için bir FBG-FP filtresiyle birleştirilmiş kısa bir doğrusal boşluk (sanal katlanmış halka rezonatörü) kullandı. 2012'de Cai ve ark.çıkış gücü 114 mW'tan büyük, merkezi dalga boyu 1540,3 nm ve çizgi genişliği 4,1 kHz olan bir polarizasyon lazer çıkışı elde etmek için 1,4 cm'lik kısa boşluklu bir yapı kullandı.2013 yılında Meng ve ark.10 mW çıkış gücüne sahip tek boylamsal mod, düşük fazlı gürültülü lazer çıkışı elde etmek için tam öngerilim koruma cihazının kısa halka boşluğu ile erbiyum katkılı fiberin Brillouin saçılımını kullandı.2015 yılında ekip, düşük eşik ve dar çizgi genişliğine sahip bir lazer çıkışı elde etmek için Brillouin saçılma kazanç ortamı olarak 45 cm erbiyum katkılı fiberden oluşan bir halka boşluğu kullandı.
Şekil 2 (a) SLC fiber lazerin şematik çizimi;
(b) 97,6 km fiber gecikmesiyle ölçülen heterodin sinyalinin çizgi şekli
Gönderim zamanı: 20 Kasım 2023