Công nghệ nguồn laser cho cảm biến sợi quang Phần thứ nhất

Công nghệ nguồn laser chosợi quangcảm nhận Phần thứ nhất

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 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 vùng điều chế, phát hiện ánh sáng và các bộ phận khác. Các thông số mô tả đặc điểm của sóng ánh sáng bao gồm cường độ, bước sóng, pha, trạng thái phân cực... Các thông số này có thể bị thay đổi do tác động bên ngoài trong quá trình truyền dẫn cáp quang. Ví dụ, khi nhiệt độ, biến dạng, áp suất, dòng điện, độ dịch chuyển, độ rung, độ quay, độ uốn và lượng hóa học ảnh hưởng đến đường quang, các thông số này sẽ thay đổi tương ứng. Cảm biến sợi quang dựa trên mối quan hệ giữa các thông số này với các yếu tố bên ngoài để phát hiện các đại lượng vật lý tương ứng.

Có rất nhiều loạinguồn laserđược sử dụng trong các hệ thống cảm biến sợi quang, có thể được chia thành hai loại: mạch lạcnguồn laservà các nguồn sáng không mạch lạc, không mạch lạcnguồn ánh sángchủ yếu bao gồm đèn sợi đốt và điốt phát sáng, và các nguồn sáng kết hợp bao gồm laser rắn, laser lỏng, laser khí,laser bán dẫnVàtia laser sợi. Sau đây chủ yếu dành chonguồn ánh sáng lazeđược sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực cảm biến sợi quang trong những năm gần đây: laser tần số đơn có độ rộng đường hẹp, laser tần số quét bước sóng đơn và laser trắng.

1.1 Yêu cầu về băng thông hẹpnguồn ánh sáng laser

Hệ thống cảm biến sợi quang không thể tách rời khỏi nguồn laser, vì sóng ánh sáng mang tín hiệu đo được, hiệu suất của nguồn sáng laser, chẳng hạn như độ ổn định công suất, độ rộng đường truyền laser, nhiễu pha và các thông số khác về khoảng cách phát hiện, phát hiện của hệ thống cảm biến sợi quang độ chính xác, độ nhạy và đặc tính tiếng ồn đóng vai trò quyết định. Trong những năm gần đây, với sự phát triển của hệ thống cảm biến sợi quang có độ phân giải cực cao ở khoảng cách xa, giới học thuật và ngành công nghiệp đã đưa ra các yêu cầu nghiêm ngặt hơn về hiệu suất băng thông của quá trình thu nhỏ laser, chủ yếu ở: công nghệ phản xạ miền tần số quang (OFDR) sử dụng mạch lạc Công nghệ phát hiện để phân tích tín hiệu tán xạ ngược của sợi quang trong miền tần số, có phạm vi phủ sóng rộng (hàng nghìn mét). Ưu điểm của độ phân giải cao (độ phân giải ở mức milimet) và độ nhạy cao (lên tới -100 dBm) đã trở thành một trong những công nghệ có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong công nghệ đo và cảm biến sợi quang phân tán. Cốt lõi của công nghệ OFDR là sử dụng nguồn sáng có thể điều chỉnh để đạt được điều chỉnh tần số quang, do đó hiệu suất của nguồn laser quyết định các yếu tố chính như phạm vi phát hiện OFDR, độ nhạy và độ phân giải. Khi khoảng cách điểm phản xạ gần với độ dài kết hợp, cường độ tín hiệu nhịp sẽ bị suy giảm theo cấp số nhân bởi hệ số τ/τc. Đối với nguồn sáng Gaussian có dạng quang phổ, để đảm bảo tần số nhịp hiển thị trên 90%, mối quan hệ giữa độ rộng đường của nguồn sáng và độ dài cảm biến tối đa mà hệ thống có thể đạt được là Lmax~0,04vg /f, có nghĩa là đối với sợi quang có chiều dài 80 km, độ rộng đường truyền của nguồn sáng nhỏ hơn 100 Hz. Ngoài ra, sự phát triển của các ứng dụng khác cũng đặt ra yêu cầu cao hơn về băng thông đường truyền của nguồn sáng. Ví dụ, trong hệ thống điện thoại dưới nước bằng sợi quang, độ rộng đường truyền của nguồn sáng xác định độ nhiễu của hệ thống và cũng xác định tín hiệu tối thiểu có thể đo được của hệ thống. Trong bộ 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 đường truyền của nguồn sáng. Trong con quay hồi chuyển sợi quang cộng hưởng, độ dài kết hợp của sóng ánh sáng có thể được tăng lên bằng cách giảm độ rộng đường của nguồn sáng, từ đó cải thiện độ mịn và độ sâu cộng hưởng của bộ cộng hưởng, giảm độ rộng đường của bộ cộng hưởng và đảm bảo phép đo độ chính xác của con quay hồi chuyển sợi quang.

1.2 Yêu cầu đối với 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 dạng vết, các loại khí khác nhau có đỉnh hấp thụ khí khác nhau. Để đảm bảo hiệu suất hấp thụ ánh sáng khi khí đo đủ và đạt độ nhạy đo cao hơn, cần 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 có băng thông hẹp với hiệu suất điều chỉnh băng thông rộng ổn định có độ linh hoạt đo lường 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, tia laser cần được quét nhanh định kỳ để đạt được khả năng phát hiện và giải điều chế mạch lạc có độ chính xác cao của tín hiệu quang, do đó tốc độ điều chế của nguồn laser có yêu cầu tương đối cao. và tốc độ quét của tia laser có thể điều chỉnh thường được yêu cầu đạt 10 giờ tối/μs. Ngoài ra, laser băng thông hẹp có thể điều chỉnh bước sóng cũng có thể được sử dụng rộng rãi trong liDAR, viễn thám laser và phân tích quang phổ có độ phân giải cao cũng như các trường cảm biến khác. Để đáp ứng các yêu cầu về thông số hiệu suất cao về điều chỉnh băng thông, độ chính xác điều chỉnh và tốc độ điều chỉnh của laser bước sóng đơn trong lĩnh vực cảm biến sợi quang, mục tiêu chung của việc nghiên cứu laser sợi quang có chiều rộng hẹp có thể điều chỉnh trong những năm gần đây là đạt được hiệu suất cao điều chỉnh chính xác trong phạm vi bước sóng lớn hơn trên cơ sở theo đuổi băng thông tia laser cực hẹp, nhiễu pha cực thấp, tần số và công suất đầu ra cực ổn định.

1.3 Nhu cầu về nguồn sáng laser trắng

Trong lĩnh vực cảm biến quang học, tia laser ánh sáng trắng chất lượng cao có ý nghĩa rất lớn trong việc cải thiện hiệu suất của hệ thống. Vùng phủ sóng phổ của laser ánh sáng trắng càng rộng thì ứng dụng của nó trong hệ thống cảm biến sợi quang càng rộng. Ví dụ: khi sử dụng cách tử Bragg sợi (FBG) để xây dựng mạng cảm biến, phân tích quang phổ hoặc phương pháp kết hợp bộ lọc điều chỉnh có thể được sử dụng để giải điều chế. Trước đây đã sử dụng máy quang phổ để kiểm tra trực tiếp từng bước sóng cộng hưởng FBG trong mạng. Loại thứ hai sử dụng bộ lọc tham chiếu để theo dõi và hiệu chỉnh FBG trong cảm biến, cả hai đều yêu cầu nguồn sáng băng thông rộng làm nguồn sáng thử nghiệm cho FBG. Do mỗi mạng truy cập FBG sẽ có suy hao chèn nhất định và có băng thông lớn hơn 0,1 nm nên việc giải điều chế đồng thời nhiều FBG đòi hỏi nguồn sáng băng thông rộng có công suất cao và băng thông cao. Ví dụ: khi sử dụng cách tử sợi quang thời gian dài (LPFG) để cảm nhận, vì băng thông của một đỉnh suy hao đơn lẻ ở mức 10 nm, nên cần có nguồn sáng phổ rộng có đủ băng thông và phổ tương đối phẳng để mô tả chính xác sự cộng hưởng của nó. đặc điểm đỉnh cao. Đặc biệt, cách tử sợi âm thanh (AIFG) được chế tạo bằng cách sử dụng hiệu ứng quang âm có thể đạt được phạm vi điều chỉnh bước sóng cộng hưởng lên tới 1000 nm bằng phương pháp điều chỉnh điện. Do đó, thử nghiệm cách tử động với phạm vi điều chỉnh cực rộng như vậy đặt ra thách thức lớn đối với phạm vi băng thông của nguồn sáng phổ rộng. Tương tự, trong những năm gần đây, cách tử sợi Bragg nghiêng cũng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực cảm biến sợi. Do đặc tính phổ tổn thất đa đỉnh của nó, phạm vi phân bố bước sóng thường có thể đạt tới 40 nm. Cơ chế cảm biến của nó thường là so sánh chuyển động tương đối giữa nhiều đỉnh truyền, do đó cần phải đo toàn bộ phổ truyền của nó. Băng thông và công suất của nguồn sáng phổ rộng được yêu cầu phải cao hơn.

2. Tình trạng nghiên cứu trong và ngoài nước

2.1 Nguồn sáng laser có băng thông hẹp

2.1.1 Laser phản hồi phân bố bán dẫn có độ rộng đường hẹp

Năm 2006, Cliche và cộng sự. giảm thang đo MHz của chất bán dẫnLaser DFB(laser phản hồi phân tán) đến thang đo kHz bằng phương pháp phản hồi điện; Năm 2011, Kessler và cộng sự. sử dụng khoang tinh thể đơn có độ ổn định cao và nhiệt độ thấp kết hợp với điều khiển phản hồi tích cực để thu được đầu ra laser có băng thông cực hẹp 40 MHz; Vào năm 2013, Peng và cộng sự đã thu được đầu ra laser bán dẫn có băng thông 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 giảm độ rộng đường truyền laser của nguồn sáng. Năm 2010, Bernhardi và cộng sự. đã tạo ra 1 cm FBG alumina pha tạp erbium trên đế oxit silicon để thu được đầu ra laser có độ rộng đường truyền khoảng 1,7 kHz. Cùng năm đó, Liang và cộng sự. đã sử dụng phản hồi tự tiêm của tán xạ Rayleigh ngược được hình thành bởi bộ cộng hưởng thành phản âm Q cao để nén độ rộng vạch laser bán dẫn, như trong Hình 1, và cuối cùng thu được đầu ra laser có độ rộng vạch hẹp là 160 Hz.

Hình 1 (a) Sơ đồ nén băng thông laser bán dẫn dựa trên sự tán xạ Rayleigh tự tiêm của bộ cộng hưởng chế độ thư viện thì thầm bên ngoài;
(b) Phổ tần số của laser bán dẫn chạy tự do có độ rộng vạch phổ 8 MHz;
(c) Phổ tần số của tia laser có độ rộng vạch được nén đến 160 Hz
2.1.2 Laser sợi quang có băng thông hẹp

Đối với laser sợi quang khoang tuyến tính, đầu ra laser có băng thông hẹp của chế độ dọc đơn có được bằng cách rút ngắn chiều dài của bộ cộng hưởng và tăng khoảng thời gian chế độ dọc. Năm 2004, Spiegelberg và cộng sự. thu được một đầu ra laser có độ rộng đường truyền hẹp ở chế độ dọc duy nhất với độ rộng đường truyền là 2 kHz bằng cách sử dụng phương pháp khoang ngắn DBR. Năm 2007, Shen và cộng sự. đã sử dụng sợi silicon pha tạp erbium nặng 2 cm để ghi FBG trên sợi quang cảm quang đồng pha tạp Bi-Ge và kết hợp nó với một sợi hoạt động để tạo thành một khoang tuyến tính nhỏ gọn, làm cho độ rộng đường đầu ra laser của nó nhỏ hơn 1 kHz. Năm 2010, Yang và cộng sự. đã sử dụng khoang tuyến tính ngắn pha tạp cao 2 cm kết hợp với bộ lọc FBG băng hẹp để thu được đầu ra laser chế độ dọc duy nhất với độ rộng đường truyền nhỏ hơn 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 có chiều rộng vạch hẹp hơn, như trong Hình 3. Năm 2012, Cai et al. đã sử dụng cấu trúc khoang ngắn 1,4 cm để thu được đầu ra laser phân cực có công suất đầu ra lớn hơn 114 mW, bước sóng trung tâm 1540,3 nm và độ rộng đường truyền là 4,1 kHz. Năm 2013, Mạnh và cộng sự. đã sử dụng tán xạ Brillouin của sợi pha tạp erbium với khoang vòng ngắn của thiết bị bảo toàn phân cực hoàn toàn để thu được chế độ dọc đơn, đầu ra laser nhiễu pha thấp với công suất đầu ra 10 mW. Vào năm 2015, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một khoang vòng bao gồm sợi pha tạp erbium dài 45 cm làm môi trường khuếch đại tán xạ Brillouin để thu được ngưỡng thấp và đầu ra laser có băng thông hẹp.

Hình 2 (a) Bản vẽ sơ đồ của laser sợi SLC;
(b) Hình dạng đường truyền của tín hiệu dị âm được đo với độ trễ sợi 97,6 km