Laserquelltechnologie fürGlasfaserErfassen von Teil eins
Die optische Fasererkennungstechnologie ist eine Art Erfassungs -Technologie, die zusammen mit der optischen Fasertechnologie und der optischen Faserkommunikationstechnologie entwickelt wurde, und ist zu einem der aktivsten Zweige der photoelektrischen Technologie. Das optische Faserkennungssystem besteht hauptsächlich aus Laser, Übertragungsfaser, Erfassungselement oder Modulationsbereich, Lichterkennung und anderen Teilen. Die Parameter, die die Eigenschaften der Lichtwelle beschreiben, umfassen Intensität, Wellenlänge, Phase, Polarisationszustand usw. Diese Parameter können durch externe Einflüsse in der optischen Faserübertragung geändert werden. Wenn beispielsweise Temperatur, Dehnung, Druck, Strom, Verschiebung, Schwingung, Drehung, Biege und chemische Menge den optischen Pfad beeinflussen, ändern sich diese Parameter entsprechend. Die optische Fasererkennung basiert auf der Beziehung zwischen diesen Parametern und externen Faktoren, um die entsprechenden physikalischen Größen zu erkennen.
Es gibt viele Arten vonLaserquelleWird in optischen Fasererkennungssystemen verwendet, die in zwei Kategorien unterteilt werden können: kohärentLaserquellenund inkohärente Lichtquellen, inkohärentLichtquellenZu den hauptsächlich Glühlampen und lichtemittierenden Dioden gehören, und kohärente Lichtquellen umfassen feste Laser, flüssige Laser, Gaslaser,HalbleiterlaserUndFaserlaser. Das Folgende ist hauptsächlich für dieLaserlichtquelleIn den letzten Jahren weit verbreitet auf dem Gebiet der Fasererkennung: Schmale Linienbreite Einfrequenzlaser, Einwellenlängen-Sweep-Frequenzlaser und weißer Laser.
1.1 Anforderungen für die enge LinienbreiteLaserlichtquellen
Das optische Faser -Erfassungssystem kann nicht von der Laserquelle getrennt werden, da die Mess -Signalträger -Lichtwelle, die Leistung der Laserlicht selbst wie Leistungsstabilität, Laserlinie, Phasenrauschen und andere Parameter für die optische Faserfaser -Erkennungsentfernung, die Erkennungswissenschaft, die Sensibilität und die Rauschmerkmale eine entscheidende Rolle bei einer entscheidenden Rolle. In den letzten Jahren haben Akademie und Industrie in den letzten Jahren mit der Entwicklung von langen Ultrahochauflösungs-optischen Fasererfassungssystemen strengere Anforderungen an die Linienbreite der Laserminiaturisierung vorgelegt, hauptsächlich in: optischen Frequenzdomänenreflexion (OFDR) -Technologie verwendet Kohärenz-Erkennungs-Technologie, um die Häufigkeit zu analysieren. Meter). Die Vorteile der hohen Auflösung (Auflösung auf Millimeterebene) und hoher Empfindlichkeit (bis zu -100 dBm) sind zu einer der Technologien mit breiten Anwendungsaussichten in verteilten optischen Fasermessungen und Erfassungstechnologien geworden. Der Kern der OFDR -Technologie besteht darin, eine einstellbare Lichtquelle zu verwenden, um eine optische Frequenzabstimmung zu erreichen, sodass die Leistung der Laserquelle die Schlüsselfaktoren wie OFDR -Erkennungsbereich, Empfindlichkeit und Auflösung bestimmt. Wenn der Reflexionspunktabstand nahe an der Kohärenzlänge liegt, wird die Intensität des Beat -Signals durch den Koeffizienten τ/τc exponentiell abgeschwächt. Für eine Gauussische Lichtquelle mit einer spektralen Form, um sicherzustellen, dass die Beat -Frequenz über eine Sichtbarkeit von über 90% ist, ist die Beziehung zwischen der Linienbreite der Lichtquelle und der maximalen Erfassungslänge, die das System erreichen kann, die LMAX ~ 0,04 VG/F, was für eine Faser mit einer Länge von 80 km weniger als 100 Hz ist. Darüber hinaus stellte die Entwicklung anderer Anwendungen auch höhere Anforderungen für die Linienbreite der Lichtquelle vor. Beispielsweise bestimmt im optischen Faserhydrophonsystem die Linie der Lichtquelle das Systemrauschen und auch das minimale messbare Signal des Systems. In Brillouin optischer Zeitdomänenreflektor (BOTDR) wird die Messauflösung von Temperatur und Spannung hauptsächlich durch die Linienbreite der Lichtquelle bestimmt. In einem Resonator -Glasfaser -Gyro kann die Kohärenzlänge der Lichtwelle durch Verringerung der Linienbreite der Lichtquelle erhöht werden, wodurch die Feinheit und Resonanztiefe des Resonators verbessert wird, wodurch die Linienbreite des Resonators verkleinert wird und die Messkonzern des Faser -optischen GYRO sicherstellt.
1.2 Anforderungen für Sweep -Laserquellen
Ein einzelner Wellenlängen -Sweep -Laser hat eine flexible Wellenlänge -Tuning -Leistung, kann mehrere Ausgangsfixierwellenlängenlaser ersetzen, die Kosten für die Systemkonstruktion reduzieren, ein unverzichtbarer Bestandteil des optischen Faserfasersystems ist. Beispielsweise haben bei der Spurgasfaserfaser verschiedene Arten von Gasen unterschiedliche Gasabsorptionspeaks. Um die Lichtabsorptionseffizienz zu gewährleisten, wenn das Messgas ausreicht und eine höhere Messempfindlichkeit erzielt, muss die Wellenlänge der Transmissionslichtquelle mit dem Absorptionspeak des Gasmoleküls ausgerichtet werden. Die Art des Gas, der erkannt werden kann, wird im Wesentlichen durch die Wellenlänge der Erfassungslichtquelle bestimmt. Daher haben enge Linienbreitenlaser mit stabiler Breitband -Tuningleistung eine höhere Messflexibilität in solchen Erfassungssystemen. Beispielsweise muss in einigen verteilten optischen Fasererfassungssystemen, die auf optischer Frequenzdomänenreflexion basieren, der Laser schnell regelmäßig gefegt werden, um eine kohärente Erkennung und Demodulation der optischen Signale mit hoher Präzision zu erreichen, so Darüber hinaus kann der Wellenlängen-einstellbare schmale Linien-Laser-Laser auch in Lidar-, Laser-Fernerkundungs- und hochauflösenden Spektralanalysen und anderen Erfassungsfeldern verwendet werden. In order to meet the requirements of high performance parameters of tuning bandwidth, tuning accuracy and tuning speed of single-wavelength lasers in the field of fiber sensing, the overall goal of studying tunable narrow-width fiber lasers in recent years is to achieve high-precision tuning in a larger wavelength range on the basis of pursuing ultra-narrow laser linewidth, ultra-low phase noise, and ultra-stable output frequency and Leistung.
1.3 Nachfrage nach weißer Laserlichtquelle
Auf dem Gebiet der optischen Erfassung ist hochwertiger weißer Lichtlaser von großer Bedeutung, um die Leistung des Systems zu verbessern. Je breiter die Spektrumabdeckung des weißen Lichtlasers ist, desto umfangreicher in der Anwendung im optischen Fasererkennungssystem. Bei der Verwendung von Faser -Bragg -Gitter (FBG) zum Erstellen eines Sensornetzwerks kann beispielsweise die Spektralanalyse oder ein abstimmbares Filteranpassungsmethode zur Demodulation verwendet werden. Ersteres verwendete ein Spektrometer, um jede FBG -Resonanzwellenlänge im Netzwerk direkt zu testen. Letzterer verwendet einen Referenzfilter, um die FBG in der Erfindung zu verfolgen und zu kalibrieren, die beide eine Breitbandlichtquelle als Testlichtquelle für die FBG erfordern. Da jedes FBG -Zugangsnetz ein bestimmtes Einfügungsverlust hat und eine Bandbreite von mehr als 0,1 nm hat, erfordert die gleichzeitige Demodulation mehrerer FBG eine Breitbandlichtquelle mit hoher Leistung und hoher Bandbreite. Wenn beispielsweise Fasergitter der langen Perioden (LPFG) zur Erfindung verwendet wird, ist eine breite Spektrum -Lichtquelle mit ausreichender Bandbreite und relativ flaches Spektrum erforderlich, um seine Resonanz -Peak -Eigenschaften genau zu charakterisieren, da die Bandbreite eines einzelnen Verlustpeaks in der Größenordnung von 10 nm liegt. Insbesondere kann akustische Fasergitter (AIFG), die unter Verwendung akustooptischer Effekt konstruiert wurden, einen Abstimmbereich von resonanten Wellenlängen von bis zu 1000 nm mittels elektrischer Abstimmung erzielen. Daher stellt dynamische Gittertests mit einem solchen ultra-weiten Tuning-Bereich eine große Herausforderung für den Bandbreitenbereich einer Weitspektrum-Lichtquelle dar. In ähnlicher Weise wurde in den letzten Jahren geneigte Braggfaser -Gitter auch auf dem Gebiet der Fasererkennung weit verbreitet. Aufgrund seiner Multi-Peak-Verlustspektrumeigenschaften kann der Wellenlängenverteilungsbereich normalerweise 40 nm erreichen. Sein Erfassungsmechanismus besteht normalerweise darin, die relative Bewegung zwischen mehreren Übertragungsspitzen zu vergleichen, sodass das Übertragungsspektrum vollständig messen muss. Die Bandbreite und Leistung der breiten Spektrum -Lichtquelle müssen höher sein.
2. Forschungsstatus im In- und Ausland
2.1 Schmale Laser -Laser -Lichtquelle
2.1.1 Schmale Linienbreiten Halbleiter verteilter Feedback -Laser
Im Jahr 2006 haben Clische et al. reduzierte die MHz -Skala des HalbleitersDFB -Laser(verteilter Rückkopplungslaser) an die KHz -Skala unter Verwendung elektrischer Rückkopplungsmethode; Im Jahr 2011 haben Kessler et al. verwendete niedrige Temperatur und hohe Stabilität Einer Kristallhohlraum in Kombination mit aktiver Rückkopplungsregelung, um ultra-narrow-Linienbreiten-Laserausgang von 40 MHz zu erhalten; Im Jahr 2013 erhielten Peng et al. Ein Halbleiterlaserausgang mit einer Linienbreite von 15 kHz unter Verwendung der Methode der Feedback-Einstellung externer Fabry-Perot (FP). Die elektrische Rückkopplungsmethode verwendete hauptsächlich die Freedback der Pond-Dever-Hall-Frequenz, um die Laserlinie der Lichtquelle zu verringern. Im Jahr 2010 haben Bernhardi et al. produzierte 1 cm Erbium-dotiertes Aluminiumoxid-FBG auf einem Siliziumoxidsubstrat, um einen Laserausgang mit einer Linienbreite von etwa 1,7 kHz zu erhalten. Im selben Jahr haben Liang et al. verwendete das Rückkopplung von Rayleigh-Rayleigh-Streuung nach Selbsteinspritzung, die durch einen Hoch-Q-Echo-Wandresonator für die Halbleiterlaserlinie-Breitenkomprimierung gebildet wurde, wie in Abbildung 1 gezeigt, und erhielt schließlich einen schmalen Laser-Laserausgang von 160 Hz.
Abb. 1 (a) Diagramm der Halbleiter-Laserlinienkomprimierung basierend auf der Rayleigh-Streuung des externen Flüsterns Galerie-Resonators;
(b) Frequenzspektrum des frei laufenden Halbleiterlasers mit einer Linienbreite von 8 MHz;
(c) Frequenzspektrum des Lasers mit einer Linienbreite, die auf 160 Hz komprimiert ist
2.1.2 Schmaler Linienbreitenfaserlaser
Für lineare Hohlraumfaserlaser wird der schmale Laser -Laserausgang des einzelnen Längsmodus erhalten, indem die Länge des Resonators verkürzt und das Intervall des Längsmodus erhöht wird. Im Jahr 2004 haben Spiegelberg et al. Erhielt einen einzelnen Longitudinal -Modus Ench -Line -Laser -Laserausgang mit einer Linienbreite von 2 kHz unter Verwendung der DBR -Kurzhöhlenmethode. Im Jahr 2007 haben Shen et al. verwendete eine 2 cm stark erbium dotierte Siliziumfaser, um FBG auf eine mit BI-GE-photosensitive Faser mit Co-dotierte Faser zu schreiben, und fusterte sie mit einer aktiven Faser, um eine kompakte lineare Hohlheit zu bilden, wodurch die Breite der Laserausgangsleitungen von weniger als 1 kHz hergestellt wird. Im Jahr 2010 haben Yang et al. verwendete einen 2 cm hoch dotierten kurzen linearen Hohlraum in Kombination mit einem Schmalband -FBG -Filter, um einen einzelnen Lasermodus -Laserausgang mit einer Linienbreite von weniger als 2 kHz zu erhalten. Im Jahr 2014 verwendete das Team einen kurzen linearen Hohlraum (virtueller gefalteter Ringresonator) in Kombination mit einem FBG-FP-Filter, um eine Laserausgabe mit einer engeren Linienbreite zu erhalten, wie in Abbildung 3 gezeigt, Cai et al. verwendete eine 1,4 cm kurze Hohlraumstruktur, um einen polarisierenden Laserausgang mit einer Ausgangsleistung von mehr als 114 MW, einer zentralen Wellenlänge von 1540,3 nm und einer Linienbreite von 4,1 kHz zu erhalten. Im Jahr 2013 haben Meng et al. Verwendete Brillouin-Streuung von Erbium-dotiertem Faser mit einem kurzen Ringhöhle eines Erhaltungsgeräts mit vollem Vorfeld, um einen Longitudinal-Modus mit niedrigem Phasen-Rauschlaser mit einer Ausgangsleistung von 10 MW zu erhalten. Im Jahr 2015 verwendete das Team einen Ringhöhlen, der aus 45 cm erbium dotierten Faser als Brillouin-Streuungsmedium bestand, um einen niedrigen Schwellenwert und eine schmale Laserausgabe von Linienbreiten zu erhalten.
Abb. 2 (a) Schematische Zeichnung des SLC -Faserlasers;
(b) Linie des mit 97,6 km Faserverzögerung gemessenen Heterodynesignals
Postzeit: November 2023