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 đã trở thành một trong những ngành năng động nhất của công nghệ quang điện. Hệ thống cảm biến sợi quang chủ yếu bao gồm laser, sợi truyền dẫn, phần tử cảm biến hoặc vùng điều chế, bộ phận phát hiện ánh sáng và các bộ phận khác. Các thông số mô tả đặc tính của sóng ánh sáng bao gồm cường độ, bước sóng, pha, trạng thái phân cực, v.v. Các thông số này có thể bị thay đổi do ảnh hưởng bên ngoài trong quá trình truyền dẫn sợi quang. Ví dụ, khi nhiệt độ, biến dạng, áp suất, dòng điện, dịch chuyển, rung động, quay, uốn cong và lượng hóa chất ảnh hưởng đến đường truyền quang, các thông số này sẽ thay đổi tương ứng. Cảm biến sợi quang dựa trên mối quan hệ giữa các thông 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: sợi quang kết hợpnguồn laservà các nguồn sáng không kết hợp, không kết hợpnguồn sángCác nguồn sáng kết hợp chủ yếu bao gồm đèn sợi đốt và điốt phát quang, còn các nguồn sáng kết hợp bao gồm laser rắn, laser lỏng, laser khí.laser bán dẫnVàlaser sợi quangPhần sau đây chủ yếu dành chonguồn sáng laserTrong những năm gần đây, các loại laser được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực cảm biến sợi quang bao gồm: laser đơn tần có độ rộng vạch hẹp, laser quét tần số đơn bước sóng và laser trắng.
1.1 Yêu cầu đối với đường kẻ hẹpnguồn sáng laser
Hệ thống cảm biến sợi quang không thể tách rời khỏi nguồn laser, vì sóng ánh sáng mang tín hiệu đo, cũng như hiệu suất của chính nguồn laser, chẳng hạn như độ ổn định công suất, độ rộng vạch laser, nhiễu pha và các thông số khác, đóng vai trò quyết định đến khoảng cách phát hiện, độ chính xác phát hiện, độ nhạy và đặc tính nhiễu của hệ thống cảm biến sợi quang. Trong những năm gần đây, với sự phát triển của các hệ thống cảm biến sợi quang độ phân giải cực cao tầm xa, giới học thuật và công nghiệp đã đưa ra những yêu cầu khắt khe hơn đối với hiệu suất độ rộng vạch của laser thu nhỏ, chủ yếu tập trung vào: công nghệ phản xạ miền tần số quang học (OFDR) sử dụng công nghệ phát hiện kết hợp để phân tích tín hiệu tán xạ Backrayleigh của sợi quang trong miền tần số, với phạm vi phủ sóng rộng (hàng ngàn mét). Ưu điểm về độ phân giải cao (độ phân giải mức milimét) và độ nhạy cao (lên đến -100 dBm) đã trở thành một trong những công nghệ có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong công nghệ đo lường 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 học, do đó hiệu suất của nguồn laser quyết định các yếu tố chính như phạm vi phát hiện, độ nhạy và độ phân giải của OFDR. Khi khoảng cách điểm phản xạ gần bằng chiều dài kết hợp, cường độ tín hiệu giao thoa sẽ bị suy giảm theo hàm mũ với hệ số τ/τc. Đối với nguồn sáng Gaussian có dạng phổ, để đảm bảo tần số giao thoa có độ hiển thị hơn 90%, mối quan hệ giữa độ rộng vạch phổ 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 đối với sợi quang có chiều dài 80 km, độ rộng vạch phổ của nguồn sáng nhỏ hơn 100 Hz. Ngoài ra, sự phát triển của các ứng dụng khác cũng đặt ra yêu cầu cao hơn đối với độ rộng vạch phổ của nguồn sáng. Ví dụ, trong hệ thống thủy âm sợi quang, độ rộng vạch phổ của nguồn sáng quyết định nhiễu của hệ thống và cũng quyết định tín hiệu đo được tối thiểu của hệ thống. Trong bộ phản xạ miền thời gian quang Brillouin (BOTDR), độ phân giải đo nhiệt độ và ứng suất chủ yếu được xác định bởi độ rộng vạch phổ của nguồn sáng. Trong con quay hồi chuyển quang học sợi quang cộng hưởng, chiều dài kết hợp của sóng ánh sáng có thể được tăng lên bằng cách giảm độ rộng vạch phổ của nguồn sáng, từ đó cải thiện độ tinh khiết và độ sâu cộng hưởng của bộ cộng hưởng, giảm độ rộng vạch phổ của bộ cộng hưởng và đảm bảo độ chính xác đo của con quay hồi chuyển quang học sợi quang.
1.2 Yêu cầu đối với nguồn laser quét
Laser quét đơn bước sóng có khả năng 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 và là một phần không thể thiếu của hệ thống cảm biến sợi quang. Ví dụ, trong cảm biến khí vết bằng sợi quang, các loại khí khác nhau có đỉnh hấp thụ khí khác nhau. Để đảm bảo hiệu quả hấp thụ ánh sáng khi lượng khí cần đo đủ và đạt được độ nhạy đo cao hơn, cần phải căn chỉnh bước sóng của nguồn sáng truyền dẫn với đỉnh hấp thụ của phân tử khí. Loại khí có thể phát hiện về cơ bản được xác định bởi bước sóng của nguồn sáng cảm biến. Do đó, laser có độ rộng vạch hẹp với hiệu suất điều chỉnh băng thông rộng ổn định có tính 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 học, laser cần được quét định kỳ nhanh chóng để đạt được khả năng phát hiện và giải điều chế tín hiệu quang học đồng bộ chính xác cao, do đó tốc độ điều chế của nguồn laser có yêu cầu tương đối cao, và tốc độ quét của laser điều chỉnh thường được yêu cầu đạt 10 pm/μs. Ngoài ra, laser có bước sóng điều chỉnh được với độ rộng vạch hẹp cũng có thể được sử dụng rộng rãi trong liDAR, viễn thám laser, phân tích quang phổ độ phân giải cao và các lĩnh vực cảm biến khác. Để đáp ứng các yêu cầu về thông số hiệu suất cao như băng thông điều chỉnh, độ chính xác điều chỉnh và tốc độ điều chỉnh của laser đơn bước sóng trong lĩnh vực cảm biến sợi quang, mục tiêu tổng thể của việc nghiên cứu laser sợi quang có thể điều chỉnh độ rộng vạch hẹp trong những năm gần đây là đạt được khả năng điều chỉnh chính xác cao trong phạm vi bước sóng rộng hơn trên cơ sở theo đuổi độ rộng vạch laser cực hẹp, nhiễu pha cực thấp và tần số cũng như công suất đầu ra cực ổn định.
1.3 Nhu cầu về nguồn sáng laser trắng
Trong lĩnh vực cảm biến quang học, laser ánh sáng trắng chất lượng cao có ý nghĩa rất lớn trong việc nâng cao hiệu suất của hệ thống. Độ phủ phổ của laser ánh sáng trắng càng rộng, ứng dụng của nó trong hệ thống cảm biến sợi quang càng đa dạng. Ví dụ, khi sử dụng mạng tinh thể Bragg sợi quang (FBG) để xây dựng mạng cảm biến, có thể sử dụng phân tích phổ hoặc phương pháp khớp bộ lọc điều chỉnh để giải điều chế. Phương pháp đầu tiên sử dụng máy quang phổ để kiểm tra trực tiếp từng bước sóng cộng hưởng của FBG trong mạng. Phương pháp thứ hai sử dụng bộ lọc tham chiếu để theo dõi và hiệu chuẩn FBG trong quá trình cảm biến, cả hai đều yêu cầu nguồn sáng băng rộng làm nguồn sáng thử nghiệm cho FBG. Vì mỗi mạng truy cập FBG sẽ có một tổn hao chèn nhất định và có băng thông lớn hơn 0,1 nm, nên việc giải điều chế đồng thời nhiều FBG đòi hỏi một nguồn sáng băng rộng có công suất và băng thông cao. Ví dụ, khi sử dụng cách tử sợi quang chu kỳ dài (LPFG) để cảm biến, vì băng thông của một đỉnh suy hao đơn lẻ nằm trong khoảng 10 nm, nên cần một nguồn sáng phổ rộng với băng thông đủ lớn và phổ tương đối phẳng để mô tả chính xác đặc điểm đỉnh cộng hưởng của nó. Đặc biệt, cách tử sợi quang âm học (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 đến 1000 nm bằng cách điều chỉnh điện. Do đó, việc kiểm tra cách tử động với phạm vi điều chỉnh siêu rộng như vậy đặt ra một thách thức lớn đối với phạm vi băng thông của nguồn sáng phổ rộng. Tương tự, trong những năm gần đây, cách tử sợi quang Bragg nghiêng cũng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực cảm biến sợi quang. Do đặc điểm phổ suy hao đa đỉnh, 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 dẫn, vì vậy cần phải đo toàn bộ phổ truyền dẫn của nó. Băng thông và công suất của nguồn sáng phổ rộng cần phải cao hơn.
2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
2.1 Nguồn sáng laser có độ rộng vạch phổ hẹp
2.1.1 Laser phản hồi phân bố bán dẫn có độ rộng vạch hẹp
Năm 2006, Cliche và cộng sự đã giảm thang đo MHz của chất bán dẫn.Laser DFB(laser phản hồi phân tán) đến thang kHz bằng phương pháp phản hồi điện; Năm 2011, Kessler và cộng sự đã sử dụng khoang tinh thể đơn có nhiệt độ thấp và độ ổn định cao kết hợp với điều khiển phản hồi chủ động để thu được đầu ra laser có độ rộng vạch cực hẹp 40 MHz; Năm 2013, Peng và cộng sự đã thu được đầu ra laser bán dẫn với độ rộng vạch 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 vạch laser của nguồn sáng. Năm 2010, Bernhardi và cộng sự đã chế tạo FBG alumina pha tạp erbium dài 1 cm trên chất nền oxit silic để thu được đầu ra laser với độ rộng vạch khoảng 1,7 kHz. Cùng năm đó, Liang và cộng sự... Chúng tôi đã sử dụng phản hồi tự tiêm của tán xạ Rayleigh ngược được hình thành bởi bộ cộng hưởng tường dội âm Q cao để nén độ rộng vạch phổ của laser bán dẫn, như thể hiện trong Hình 1, và cuối cùng thu được đầu ra laser có độ rộng vạch phổ hẹp là 160 Hz.
Hình 1 (a) Sơ đồ nén độ rộng vạch quang phổ của laser bán dẫn dựa trên tán xạ Rayleigh tự tiêm của bộ cộng hưởng chế độ phòng thì thầm bên ngoài;
(b) Phổ tần số của laser bán dẫn hoạt động tự do với độ rộng vạch phổ 8 MHz;
(c) Phổ tần số của laser với độ rộng vạch phổ được nén xuống còn 160 Hz
2.1.2 Laser sợi quang có độ rộng vạch hẹp
Đối với laser sợi quang khoang tuyến tính, đầu ra laser có độ rộng vạch hẹp ở chế độ dọc đơn được thu được bằng cách rút ngắn chiều dài của bộ cộng hưởng và tăng khoảng cách giữa các chế độ dọc. Năm 2004, Spiegelberg và cộng sự đã thu được đầu ra laser có độ rộng vạch hẹp ở chế độ dọc đơn với độ rộng vạch 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 nồng độ cao dài 2 cm để ghi FBG lên sợi quang nhạy sáng pha tạp Bi-Ge, và hợp nhất nó với một sợi hoạt tính để tạo thành một khoang tuyến tính nhỏ gọn, làm cho độ rộng vạch đầu ra laser nhỏ hơn 1 kHz. Năm 2010, Yang và cộng sự đã sử dụng một khoang tuyến tính ngắn pha tạp cao dài 2 cm kết hợp với bộ lọc FBG băng hẹp để thu được đầu ra laser ở chế độ dọc đơn với độ rộng vạch nhỏ hơn 2 kHz. Năm 2014, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một khoang cộng hưởng tuyến tính ngắn (bộ cộng hưởng vòng gấp ảo) kết hợp với bộ lọc FBG-FP để thu được đầu ra laser có độ rộng vạch hẹp hơn, như thể hiện trong Hình 3. Năm 2012, Cai và cộng sự đã sử dụng cấu trúc khoang cộng hưởng ngắn 1,4 cm để thu được đầu ra laser phân cực với công suất đầu ra lớn hơn 114 mW, bước sóng trung tâm 1540,3 nm và độ rộng vạch 4,1 kHz. Năm 2013, Meng và cộng sự đã sử dụng tán xạ Brillouin của sợi quang pha tạp erbium với khoang cộng hưởng vòng ngắn của thiết bị bảo toàn điện áp để thu được đầu ra laser đơn mode dọc, nhiễu pha thấp với công suất đầu ra 10 mW. Năm 2015, nhóm nghiên cứu đã sử dụng khoang cộng hưởng vòng gồm 45 cm sợi quang pha tạp erbium làm môi trường khuếch đại tán xạ Brillouin để thu được đầu ra laser có ngưỡng thấp và độ rộng vạch hẹp.
Hình 2 (a) Sơ đồ cấu tạo của laser sợi quang SLC;
(b) Hình dạng đường cong của tín hiệu giao thoa đo được với độ trễ sợi quang 97,6 km
Thời gian đăng bài: 20/11/2023