Công nghệ nguồn laser cho cảm biến sợi quang Phần một

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 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, v.v. Các thông số này có thể bị thay đổi bởi các tác động bên ngoài trong quá trình truyền dẫn sợi quang. Ví dụ, khi nhiệt độ, độ biến dạng, áp suất, dòng điện, độ dịch chuyển, độ rung, độ quay, độ uốn và lượng hóa chất ảnh hưởng đến đường dẫn quang, các thông số này 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: mạch lạcnguồn laservà các nguồn sáng không mạch lạc, không mạch lạcnguồn sángchủ yếu bao gồm đèn sợi đốt và điốt phát quang, và các nguồn sáng kết hợp bao gồm laser rắn, laser lỏng, laser khí,laser bán dẫnVàlaser sợi quang. Sau đây chủ yếu dành chonguồn sáng laserđược 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 đơn bước sóng và laser trắng.

1.1 Yêu cầu về độ rộng đường truyền hẹpnguồn 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 trên khoảng cách phát hiện của hệ thống cảm biến sợi quang, độ chính xác phát hiện, độ nhạy và đặc tính nhiễu đóng vai trò quyết định. Trong những năm gần đây, với sự phát triển của các hệ thống cảm biến sợi quang độ phân giải cực cao đường dài, giới học thuật và ngành công nghiệp đã đưa ra các yêu cầu nghiêm ngặt hơn đối với hiệu suất độ rộng đường truyền của quá trình thu nhỏ laser, chủ yếu ở: công nghệ phản xạ miền tần số quang học (OFDR) sử dụng công nghệ phát hiện mạch lạc để phân tích các tín hiệu tán xạ ngược của sợi quang trong miền tần số, với phạm vi phủ sóng rộng (hàng nghìn mét). Ưu điểm của độ phân giải cao (độ phân giải cấp 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, 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 hàm mũ bởi hệ số τ/τc. Đối với nguồn sáng Gauss có dạng phổ, để đảm bảo tần số nhịp có khả năng hiển thị hơn 90%, mối quan hệ giữa độ rộng đường truyền của nguồn sáng và độ dài cảm biến tối đa mà hệ thống có thể đạt được là Lmax~0,04vg/f, điều này có nghĩa là đối với sợi 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 đưa ra các yêu cầu cao hơn đối với độ rộng đường truyền của nguồn sáng. Ví dụ, trong hệ thống thủy âm sợi quang, độ rộng đường truyền của nguồn sáng xác định nhiễu của hệ thống và cũng xác định tín hiệu đo lường nhỏ nhất 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 truyền của nguồn sáng, do đó cải thiện độ mịn và độ sâu cộng hưởng của bộ cộng hưởng, giảm độ rộng đường truyền của bộ cộng hưởng và đảm bảo độ chính xác đo lường 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 vết, 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 đủ và đạt 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 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, laser cần được quét định kỳ nhanh chóng để đạt được khả năng phát hiện và giải điều chế tín hiệu quang có độ chính xác cao, do đó tốc độ điều chế của nguồn laser có yêu cầu tương đối cao và tốc độ quét của laser có thể điều chỉnh thường được yêu cầu đạt 10 pm/μs. Ngoài ra, laser có độ rộng vạch hẹp có thể điều chỉnh bước sóng cũng có thể được sử dụng rộng rãi trong LiDAR, cảm biến từ xa laser và phân tích phổ độ phân giải cao và các lĩnh vực cảm biến khác. Để đáp ứng các yêu cầu về thông số hiệu suất cao của băng thông điều chỉnh, độ chính xác điều chỉnh và tốc độ điều chỉnh của laser một bước sóng trong lĩnh vực cảm biến sợi, mục tiêu chung của việc nghiên cứu laser sợi hẹp có thể điều chỉnh trong những năm gần đây là đạt được độ chính xác cao trong phạm vi bước sóng lớn hơn trên cơ sở theo đuổi độ rộng vạch laser cực hẹp, nhiễu pha cực thấp và tần số đầu ra và công suất cực kỳ 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 cải thiện hiệu suất của hệ thống. Phạm vi 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 mạng Bragg sợi quang (FBG) để xây dựng mạng cảm biến, có thể sử dụng phương pháp phân tích phổ hoặc phương pháp khớp bộ lọc có thể điều chỉnh để giải điều chế. Phương pháp trước sử dụng máy quang phổ để kiểm tra trực tiếp từng bước sóng cộng hưởng FBG trong mạng. Phương pháp sau sử dụng bộ lọc tham chiếu để theo dõi và hiệu chuẩn FBG trong cảm biến, cả hai đều yêu cầu nguồn sáng băng thông rộng làm nguồn sáng thử nghiệm cho FBG. Vì mỗi mạng truy cập FBG sẽ có một mức 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 và băng thông cao. Ví dụ, khi sử dụng mạng quang sợi chu kỳ dài (LPFG) để cảm biến, vì băng thông của một đỉnh mất mát đơn lẻ theo thứ tự 10 nm, nên cần có nguồn sáng phổ rộng có băng thông đủ và phổ tương đối phẳng để mô tả chính xác các đặc điểm đỉnh cộng hưởng của nó. Đặc biệt, mạng quang 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 đến 1000 nm bằng cách điều chỉnh điện. Do đó, thử nghiệm mạng quang 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 như vậy, trong những năm gần đây, mạng quang sợi Bragg nghiêng cũng đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực cảm biến sợi. Do đặc điểm phổ mất mát đa đỉnh của nó, phạm vi phân phối 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, vì vậy 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 hình nghiên cứu trong và ngoài nước

2.1 Nguồn sáng laser có độ rộng vạch hẹp

2.1.1 Laser phản hồi phân tán bán dẫn có độ rộng vạch hẹp

Năm 2006, Cliche và cộng sự đã giảm thang MHz của chất bán dẫnTia laser DFB(laser phản hồi phân tán) đến thang kHz sử dụng 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 là 40 MHz; Năm 2013, Peng và cộng sự đã thu được đầu ra laser bán dẫn có độ rộng vạch là 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 sản xuất 1 cm nhôm FBG pha tạp erbi trên chất nền oxit silic để thu được đầu ra laser có độ rộng vạch khoảng 1,7 kHz. Cùng năm đó, Liang và cộng sự đã sử dụng phản hồi tự tiêm của sự tán xạ Rayleigh ngược được hình thành bởi bộ cộng hưởng tường phản hồi Q cao để nén độ rộng vạch laser bán dẫn, như thể hiện 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 độ rộng vạch laser bán dẫn dựa trên sự tán xạ Rayleigh tự tiêm của bộ cộng hưởng chế độ phòng trưng bày thì thầm bên ngoài;
(b) Phổ tần số của laser bán dẫn chạy tự do với độ rộng vạch là 8 MHz;
(c) Phổ tần số của laser với độ rộng vạch được nén đến 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 của chế độ dọc đơn thu được bằng cách rút ngắn chiều dài của bộ cộng hưởng và tăng khoảng chế độ dọc. Năm 2004, Spiegelberg và cộng sự đã thu được đầu ra laser có độ rộng vạch hẹp 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 erbi nặng 2 cm để ghi FBG trên sợi quang nhạy sáng pha tạp Bi-Ge và hợp nhất nó với sợi hoạt động để tạo thành khoang tuyến tính nhỏ gọn, làm cho độ rộng vạch 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 đơn với độ rộng vạch nhỏ hơn 2 kHz. Năm 2014, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một khoang 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 đường hẹp hơn, như thể hiện trong Hình 3. Năm 2012, Cai và cộng sự 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 là 1540,3 nm và độ rộng đường là 4,1 kHz. Năm 2013, Meng và cộng sự đã sử dụng tán xạ Brillouin của sợi pha tạp erbi với khoang vòng ngắn của thiết bị bảo toàn độ lệch toàn phần để thu được đầu ra laser có chế độ dọc đơn, nhiễu pha thấp với công suất đầu ra là 10 mW. Năm 2015, nhóm nghiên cứu đã sử dụng khoang vòng bao gồm sợi pha tạp erbi 45 cm làm môi trường khuếch đại tán xạ Brillouin để thu được đầu ra laser có ngưỡng thấp và độ rộng đường hẹp.

Hình 2 (a) Sơ đồ của laser sợi quang SLC;
(b) Hình dạng đường của tín hiệu heterodyne được đo bằng độ trễ sợi quang 97,6 km