Công nghệ nguồn laser choSợi quangcảm nhận phần một
Công nghệ cảm biến sợi quang là một loại công nghệ cảm biến được phát triển cùng với công nghệ sợi quang và công nghệ truyền thông sợi quang, và nó đã trở thành một trong những nhánh hoạt động tích cực nhất của công nghệ quang điện. Hệ thống cảm biến sợi quang chủ yếu bao gồm laser, sợi truyền, phần tử cảm biến hoặc khu vực điều chế, phát hiện ánh sáng và các bộ phận khác. Các tham số mô tả các đặc điểm của sóng ánh sáng bao gồm cường độ, bước sóng, pha, trạng thái phân cực, v.v ... Các tham số này có thể được thay đổi bởi các ảnh hưởng bên ngoài trong truyền sợi quang. Ví dụ, khi nhiệt độ, biến dạng, áp suất, dòng điện, dịch chuyển, rung, xoay, uốn và lượng hóa học ảnh hưởng đến đường quang, các tham số này thay đổi tương ứng. Cảm biến sợi quang dựa trên mối quan hệ giữa các tham số này và các yếu tố bên ngoài để phát hiện các đại lượng vật lý tương ứng.
Có nhiều loạiNguồn laserđược sử dụng trong các hệ thống cảm biến sợi quang, có thể được chia thành hai loại: kết hợpNguồn laservà nguồn sáng không mạch lạc, không mạch lạcnguồn sángChủ yếu bao gồm ánh sáng sợi đốt và điốt phát sáng, và các nguồn ánh sáng kết hợp bao gồm laser rắn, laser lỏng, laser khí,Laser bán dẫnVàLaser sợi. Những điều sau đây chủ yếu là choNguồn ánh sáng laserĐược sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực cảm biến sợi trong những năm gần đây: laser tần số đơn chiều rộng đường hẹp, laser tần số quét bước sóng đơn và laser trắng.
1.1 Yêu cầu về độ rộng đường hẹpNguồn ánh sáng laser
Hệ thống cảm biến sợi quang không thể được tách ra khỏi nguồn laser, vì sóng mang tín hiệu được đo, chính hiệu suất của nguồn ánh sáng laser, như độ ổn định năng lượng, độ rộng dòng laser, nhiễu pha và các thông số khác trên khoảng cách phát hiện hệ thống cảm biến sợi quang, độ chính xác phát hiện, độ nhạy và đặc điểm nhiễu. Trong những năm gần đây, với sự phát triển của các hệ thống cảm biến sợi quang cực kỳ độ phân giải cực cao, học viện và ngành công nghiệp đã đưa ra các yêu cầu nghiêm ngặt hơn đối với hiệu suất dòng chảy của laser thu nhỏ mét). Ưu điểm của độ phân giải cao (độ phân giải cấp milimet) và độ nhạy cao (lên đến -100 dBm) đã trở thành một trong những công nghệ có triển vọng ứng dụng rộng trong phép đo và cảm biến sợi quang phân tán. Cốt lõi của công nghệ OFDD là sử dụng nguồn ánh sáng có thể điều chỉnh để đạt được điều chỉnh tần số quang, do đó, hiệu suất của nguồn laser xác định các yếu tố chính như phạm vi phát hiện OFDD, độ nhạy và độ phân giải. Khi khoảng cách điểm phản xạ gần với chiều dài kết hợp, cường độ của tín hiệu nhịp sẽ bị suy giảm theo cấp số nhân bởi hệ số τ/τc. Đối với một nguồn sáng Gaussian với hình dạng quang phổ, để đảm bảo rằng tần số nhịp có khả năng hiển thị hơn 90%, mối quan hệ giữa chiều rộng đường của nguồn sáng và chiều dài cảm biến tối đa mà hệ thống có thể đạt được là LMAX ~ 0,04Vg/f, có nghĩa là với chiều dài có chiều dài 80 km. Ngoài ra, sự phát triển của các ứng dụng khác cũng đưa ra các yêu cầu cao hơn đối với độ rộng của nguồn sáng. Ví dụ, trong hệ thống hydrophone sợi quang, độ rộng của nguồn sáng xác định nhiễu hệ thống và cũng xác định tín hiệu đo được tối thiểu của hệ thống. Trong phản xạ miền thời gian quang học Brillouin (BOTDR), độ phân giải đo nhiệt độ và ứng suất chủ yếu được xác định bởi độ rộng của nguồn sáng. Trong một con quay sợi quang cộng hưởng, chiều dài kết hợp của sóng ánh sáng có thể được tăng lên bằng cách giảm chiều rộng đường của nguồn ánh sáng, do đó cải thiện độ sâu và độ sâu cộng hưởng của bộ cộng hưởng, làm giảm chiều rộng của bộ cộng hưởng và đảm bảo độ chính xác của gyptic.
1.2 Yêu cầu đối với các nguồn laser quét
Laser quét bước sóng đơn có hiệu suất điều chỉnh bước sóng linh hoạt, có thể thay thế nhiều laser bước sóng cố định đầu ra, giảm chi phí xây dựng hệ thống, là một phần không thể thiếu của hệ thống cảm biến sợi quang. Ví dụ, trong cảm biến sợi khí theo dõi, các loại khí khác nhau có các đỉnh hấp thụ khí khác nhau. Để đảm bảo hiệu quả hấp thụ ánh sáng khi khí đo là đủ và đạt được độ nhạy đo cao hơn, cần phải căn chỉnh bước sóng của nguồn sáng truyền với đỉnh hấp thụ của phân tử khí. Loại khí có thể được phát hiện về cơ bản được xác định bởi bước sóng của nguồn sáng cảm biến. Do đó, các laser độ rộng đường hẹp với hiệu suất điều chỉnh băng thông rộng ổn định có độ linh hoạt đo cao hơn trong các hệ thống cảm biến như vậy. Ví dụ, trong một số hệ thống cảm biến sợi quang phân tán dựa trên phản xạ miền tần số quang, laser cần phải nhanh chóng theo định kỳ để đạt được sự phát hiện kết hợp chính xác cao và giải điều chế các tín hiệu quang, do đó, tốc độ điều chế của nguồn laser có mức độ tương đối cao. Ngoài ra, laser dòng chảy hẹp có thể điều chỉnh bước sóng cũng có thể được sử dụng rộng rãi trong Lidar, Laser từ xa và phân tích quang phổ độ phân giải cao và các trường cảm biến khác. Để đáp ứng các yêu cầu của các tham số hiệu suất cao của băng thông điều chỉnh, độ chính xác điều chỉnh và tốc độ điều chỉnh của các laser bước sóng đơn trong trường cảm biến sợi, mục tiêu tổng thể của việc nghiên cứu các laser có thể điều chỉnh độ rộng lớn hơn trong phạm vi điều chỉnh độ cao của LEAL. tần số đầu ra và công suất.
1.3 Nhu cầu về Nguồn ánh sáng bằng laser trắng
Trong lĩnh vực cảm biến quang học, laser ánh sáng trắng chất lượng cao có ý nghĩa lớn để cải thiện hiệu suất của hệ thống. Độ phủ phổ của laser ánh sáng trắng càng rộng, ứng dụng của nó càng rộng trong hệ thống cảm biến sợi quang. Ví dụ, khi sử dụng cách tử Bragg sợi (FBG) để xây dựng mạng cảm biến, phân tích quang phổ hoặc phương pháp khớp bộ lọc có thể điều chỉnh có thể được sử dụng để giải điều chế. Cái trước sử dụng máy quang phổ để kiểm tra trực tiếp từng bước sóng cộng hưởng FBG trong mạng. Cái sau sử dụng bộ lọc tham chiếu để theo dõi và hiệu chỉnh FBG trong cảm biến, cả hai đều yêu cầu một nguồn ánh sáng băng thông rộng như một nguồn ánh sáng thử nghiệm cho FBG. Bởi vì mỗi mạng truy cập FBG sẽ bị mất chèn nhất định và có băng thông hơn 0,1nm, nên việc giải thích đồng thời nhiều FBG yêu cầu nguồn ánh sáng băng rộng với băng thông cao và băng thông cao. Ví dụ, khi sử dụng cách tử sợi thời gian dài (LPFG) để cảm nhận, vì băng thông của một đỉnh mất duy nhất theo thứ tự 10nm, một nguồn sáng phổ rộng với băng thông đủ và phổ tương đối phẳng là đặc trưng chính xác của nó. Cụ thể, cách tử sợi âm (AIFG) được xây dựng bằng cách sử dụng hiệu ứng quang học âm thanh có thể đạt được một phạm vi điều chỉnh bước sóng cộng hưởng lên đến 1000nm bằng phương tiện điều chỉnh điện. Do đó, thử nghiệm cách tử động với phạm vi điều chỉnh cực rộng như vậy đặt ra một thách thức lớn đối với phạm vi băng thông của một nguồn sáng phổ rộng. Tương tự, trong những năm gần đây, cách tử sợi Bragg nghiêng cũng đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực cảm biến sợi. Do các đặc điểm phổ mất đa đỉnh của nó, phạm vi phân phối bước sóng thường có thể đạt tới 40nm. Cơ chế cảm biến của nó thường là so sánh chuyển động tương đối giữa nhiều đỉnh truyền, do đó cần phải đo hoàn toàn phổ truyền của nó. Băng thông và công suất của nguồn sáng phổ rộng được yêu cầu cao hơn.
2. Tình trạng nghiên cứu trong và ngoài nước
2.1 Nguồn ánh sáng laser thông báo hẹp
2.1.
Năm 2006, Cliche et al. Giảm thang đo MHz của chất bán dẫnLaser DFB(Phản hồi phân tán laser) đến quy mô KHZ bằng phương pháp phản hồi điện; Năm 2011, Kessler et al. được sử dụng nhiệt độ thấp và độ ổn định cao khoang tinh thể đơn kết hợp với điều khiển phản hồi tích cực để thu được công suất laser dòng chảy cực kỳ Narrow là 40 MHz; Vào năm 2013, Peng và cộng sự đã thu được đầu ra laser bán dẫn với độ rộng đường thẳng 15 kHz bằng cách sử dụng phương pháp điều chỉnh phản hồi Fabry-Perot (FP) bên ngoài. Phương pháp phản hồi điện chủ yếu sử dụng phản hồi ổn định tần số Pond-Drever-Hall để làm cho độ rộng đường laser của nguồn sáng bị giảm. Năm 2010, Bernhardi et al. Được sản xuất 1 cm Alumina FBG pha tạp Erbium trên chất nền oxit silicon để thu được công suất laser với chiều rộng dòng khoảng 1,7 kHz. Trong cùng năm đó, Liang et al. đã sử dụng phản hồi tự tiêm của sự tán xạ Rayleigh ngược được hình thành bởi bộ cộng hưởng tường Echo cao cho nén độ rộng dòng laser bán dẫn, như trong Hình 1, và cuối cùng thu được đầu ra laser có chiều rộng đường hẹp là 160 Hz.
Hình.
.
.
2.1.2 Laser sợi độ rộng dòng chảy hẹp
Đối với các laser sợi khoang tuyến tính, đầu ra laser linewidth hẹp của chế độ theo chiều dọc thu được bằng cách rút ngắn chiều dài của bộ cộng hưởng và tăng khoảng chế độ dọc. Năm 2004, Spiegelberg et al. thu được một chế độ theo chiều dọc duy nhất đầu ra laser laser thu hẹp với độ rộng dòng 2 kHz bằng cách sử dụng phương pháp khoang ngắn DBR. Năm 2007, Shen et al. Đã sử dụng sợi silicon pha tạp erbium nặng 2 cm để viết FBG trên sợi quang cảm quang của BI-GE và hợp nhất nó với sợi hoạt động để tạo thành khoang tuyến tính nhỏ gọn, làm cho chiều rộng đường đầu ra laser của nó nhỏ hơn 1 kHz. Năm 2010, Yang et al. đã sử dụng khoang tuyến tính ngắn pha tạp cao 2cm kết hợp với bộ lọc FBG băng hẹp để thu được một đầu ra laser chế độ dọc duy nhất với chiều rộng dòng dưới 2 kHz. Vào năm 2014, nhóm nghiên cứu đã sử dụng khoang tuyến tính ngắn (bộ cộng hưởng vòng gấp ảo) kết hợp với bộ lọc FBG-FP để thu được đầu ra laser với chiều rộng đường hẹp hơn, như trong Hình 3. Năm 2012, Cai et al. đã sử dụng cấu trúc khoang ngắn 1,4cm để thu được đầu ra laser phân cực với công suất đầu ra lớn hơn 114 MW, bước sóng trung tâm là 1540,3nm và chiều rộng đường là 4,1 kHz. Năm 2013, Meng et al. Sự tán xạ Brillouin đã sử dụng của sợi pha tạp erbium với khoang vòng ngắn của thiết bị bảo quản hoàn toàn thiên vị để có được chế độ dài một, đầu ra laser nhiễu pha thấp với công suất đầu ra là 10 MW. Vào năm 2015, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một khoang vòng bao gồm sợi pha tạp Erbium 45 cm làm môi trường tăng tán xạ Brillouin để có được ngưỡng thấp và đầu ra laser thông báo hẹp.
Hình 2 (a) bản vẽ sơ đồ của laser sợi SLC;
(B) Lineeshape của tín hiệu heterodyne được đo bằng độ trễ sợi 97,6 km
Thời gian đăng: 20-2023