Laserquellentechnologie fürGlasfaserWahrnehmung Teil Eins
Die Glasfasersensortechnologie ist eine Sensortechnologie, die zusammen mit der Glasfasertechnologie und der Glasfaserkommunikationstechnologie entwickelt wurde und zu einem der aktivsten Zweige der Fotoelektrik geworden ist. Glasfasersensorsysteme bestehen hauptsächlich aus Laser, Übertragungsfaser, Sensorelement bzw. Modulationsbereich, Lichtdetektor und weiteren Komponenten. Zu den Parametern, die die Eigenschaften von Lichtwellen beschreiben, gehören Intensität, Wellenlänge, Phase und Polarisationszustand. Diese Parameter können bei der Glasfaserübertragung durch äußere Einflüsse verändert werden. Wenn beispielsweise Temperatur, Dehnung, Druck, Strom, Verschiebung, Vibration, Drehung, Biegung und chemische Substanzen den optischen Pfad beeinflussen, verändern sich diese Parameter entsprechend. Glasfasersensoren nutzen die Beziehung zwischen diesen Parametern und äußeren Faktoren, um die entsprechenden physikalischen Größen zu erfassen.
Es gibt viele Arten vonLaserquellein optischen Fasersensorsystemen verwendet, die in zwei Kategorien unterteilt werden können: kohärenteLaserquellenund inkohärente Lichtquellen, inkohärenteLichtquellenZu den Lichtquellen gehören hauptsächlich Glühlampen und Leuchtdioden, und zu den kohärenten Lichtquellen zählen Festkörperlaser, Flüssigkeitslaser, Gaslaser,HalbleiterlaserUndFaserlaserDas Folgende ist hauptsächlich für dieLaserlichtquelleIn den letzten Jahren wurden im Bereich der Fasersensorik häufig folgende Laser eingesetzt: Einfrequenzlaser mit schmaler Linienbreite, Einwellenlängen-Wobbelfrequenzlaser und Weißlaser.
1.1 Anforderungen an schmale LinienbreitenLaserlichtquellen
Glasfasersensorsysteme sind untrennbar mit der Laserquelle verbunden. Da die gemessene Signalträgerlichtwelle und die Leistung der Laserlichtquelle selbst, wie Leistungsstabilität, Laserlinienbreite, Phasenrauschen und andere Parameter, die die Erfassungsreichweite, Erfassungsgenauigkeit, Empfindlichkeit und Rauschverhalten des Glasfasersensorsystems beeinflussen, eine entscheidende Rolle spielen. In den letzten Jahren haben Wissenschaft und Industrie mit der Entwicklung von Glasfasersensorsystemen mit ultrahoher Auflösung über große Entfernungen immer höhere Anforderungen an die Linienbreite der Laserminiaturisierung gestellt, vor allem in Bezug auf die optische Frequenzbereichsreflexion (OFDR). Die OFDR-Technologie nutzt kohärente Detektionstechnologie, um die Backrayleigh-Streusignale von Glasfasern im Frequenzbereich mit einer großen Reichweite (Tausende von Metern) zu analysieren. Die Vorteile der hohen Auflösung (Millimeterauflösung) und der hohen Empfindlichkeit (bis zu -100 dBm) haben Technologien mit breitem Anwendungspotenzial in der verteilten Glasfasermess- und -sensortechnik hervorgebracht. Kern der OFDR-Technologie ist die Nutzung einer abstimmbaren Lichtquelle zur optischen Frequenzabstimmung. Daher bestimmt die Leistung der Laserquelle Schlüsselfaktoren wie OFDR-Erfassungsbereich, Empfindlichkeit und Auflösung. Wenn der Abstand des Reflexionspunkts nahe der Kohärenzlänge liegt, wird die Intensität des Schwebungssignals exponentiell um den Koeffizienten τ/τc gedämpft. Um bei einer spektral geformten Gaußschen Lichtquelle eine Sichtbarkeit der Schwebungsfrequenz von über 90 % zu gewährleisten, beträgt das Verhältnis zwischen der Linienbreite der Lichtquelle und der vom System erreichbaren maximalen Messlänge Lmax~0,04vg/f. Das bedeutet, dass bei einer 80 km langen Faser die Linienbreite der Lichtquelle weniger als 100 Hz beträgt. Die Entwicklung anderer Anwendungen stellt zudem höhere Anforderungen an die Linienbreite der Lichtquelle. Beispielsweise bestimmt in einem faseroptischen Hydrophonsystem die Linienbreite der Lichtquelle das Systemrauschen und das minimal messbare Signal des Systems. Beim Brillouin Optical Time Domain Reflector (BOTDR) wird die Messauflösung von Temperatur und Spannung hauptsächlich durch die Linienbreite der Lichtquelle bestimmt. In einem Resonator-Glasfaserkreisel kann die Kohärenzlänge der Lichtwelle durch Reduzierung der Linienbreite der Lichtquelle erhöht werden, wodurch die Feinheit und Resonanztiefe des Resonators verbessert, die Linienbreite des Resonators reduziert und die Messgenauigkeit des Glasfaserkreisels sichergestellt wird.
1.2 Anforderungen an Sweep-Laserquellen
Ein Wellenlängen-Sweep-Laser bietet eine flexible Wellenlängenabstimmung und kann mehrere Ausgangslaser mit fester Wellenlänge ersetzen, wodurch die Systemkosten gesenkt werden. Er ist ein unverzichtbarer Bestandteil optischer Fasersensorsysteme. Beispielsweise weisen in der Spurengas-Fasersensorik verschiedene Gasarten unterschiedliche Absorptionspeaks auf. Um die Lichtabsorptionseffizienz bei ausreichendem Messgas zu gewährleisten und eine höhere Messempfindlichkeit zu erreichen, muss die Wellenlänge der Transmissionslichtquelle auf den Absorptionspeak des Gasmoleküls abgestimmt werden. Die Art des detektierbaren Gases wird maßgeblich durch die Wellenlänge der Sensorlichtquelle bestimmt. Daher bieten Laser mit schmaler Linienbreite und stabiler Breitbandabstimmung in solchen Sensorsystemen eine höhere Messflexibilität. Beispielsweise muss in einigen verteilten optischen Fasersensorsystemen, die auf optischer Frequenzbereichsreflexion basieren, der Laser schnell periodisch geschwenkt werden, um eine hochpräzise kohärente Detektion und Demodulation optischer Signale zu erreichen. Daher werden relativ hohe Anforderungen an die Modulationsrate der Laserquelle gestellt, und die Sweep-Geschwindigkeit des einstellbaren Lasers muss in der Regel 10 pm/µs erreichen. Darüber hinaus findet der wellenlängenabstimmbare schmale Linienlaser breite Anwendung in LiDAR, der Laserfernerkundung, der hochauflösenden Spektralanalyse und anderen Sensorikbereichen. Um die hohen Anforderungen an die Leistungsparameter Abstimmbandbreite, Abstimmgenauigkeit und Abstimmgeschwindigkeit von Einwellenlängenlasern im Bereich der Fasersensorik zu erfüllen, besteht das übergeordnete Ziel der Forschung an abstimmbaren schmalen Faserlasern in den letzten Jahren darin, eine hochpräzise Abstimmung in einem größeren Wellenlängenbereich zu erreichen. Dabei wird eine ultraschmale Laserlinienbreite, ein ultraniedriges Phasenrauschen sowie eine ultrastabile Ausgangsfrequenz und -leistung angestrebt.
1.3 Bedarf an weißen Laserlichtquellen
Im Bereich der optischen Sensorik sind hochwertige Weißlichtlaser zur Leistungssteigerung des Systems von großer Bedeutung. Je breiter das Spektrum von Weißlichtlasern ist, desto vielseitiger sind ihre Einsatzmöglichkeiten in faseroptischen Sensorsystemen. Beim Aufbau eines Sensornetzwerks mit Faser-Bragg-Gittern (FBG) können beispielsweise Spektralanalysen oder abstimmbare Filteranpassungen zur Demodulation eingesetzt werden. Bei ersteren wird ein Spektrometer verwendet, um die Resonanzwellenlänge aller FBGs im Netzwerk direkt zu testen. Bei letzteren wird ein Referenzfilter verwendet, um das FBG bei der Messung zu verfolgen und zu kalibrieren. Für beide Verfahren wird eine Breitbandlichtquelle als Testlichtquelle für das FBG benötigt. Da jedes FBG-Zugangsnetzwerk eine gewisse Einfügungsdämpfung aufweist und eine Bandbreite von über 0,1 nm hat, erfordert die gleichzeitige Demodulation mehrerer FBGs eine Breitbandlichtquelle mit hoher Leistung und hoher Bandbreite. Bei der Verwendung von langperiodischen Fasergittern (LPFG) in der Sensorik liegt die Bandbreite einzelner Verlustspitzen bei etwa 10 nm. Daher ist eine Breitbandlichtquelle mit ausreichender Bandbreite und relativ flachem Spektrum erforderlich, um die Resonanzspitzeneigenschaften präzise zu charakterisieren. Insbesondere akustische Fasergitter (AIFG), die den akustooptischen Effekt nutzen, können durch elektrische Abstimmung einen Resonanzwellenlängenbereich von bis zu 1000 nm erreichen. Daher stellt die dynamische Gitterprüfung mit einem derart weiten Abstimmbereich eine große Herausforderung für den Bandbreitenbereich einer Breitbandlichtquelle dar. Ebenso werden geneigte Bragg-Fasergitter seit einigen Jahren häufig in der Fasersensorik eingesetzt. Aufgrund ihres mehrpeakigen Verlustspektrums kann der Wellenlängenverteilungsbereich üblicherweise 40 nm erreichen. Der Sensormechanismus vergleicht üblicherweise die relative Bewegung mehrerer Transmissionsspitzen, daher ist eine vollständige Messung des Transmissionsspektrums erforderlich. Breitbandlichtquellen erfordern höhere Bandbreite und Leistung.
2. Forschungsstand im In- und Ausland
2.1 Laserlichtquelle mit schmaler Linienbreite
2.1.1 Halbleiter-Laser mit verteilter Rückkopplung und schmaler Linienbreite
Im Jahr 2006 reduzierten Cliche et al. die MHz-Skala von HalbleiternDFB-Laser(Laser mit verteilter Rückkopplung) auf kHz-Skala mithilfe der Methode der elektrischen Rückkopplung; 2011 verwendeten Kessler et al. einen Einkristallhohlraum mit niedriger Temperatur und hoher Stabilität, kombiniert mit aktiver Rückkopplungssteuerung, um eine Laserausgabe mit ultraschmaler Linienbreite von 40 MHz zu erhalten. 2013 erzielten Peng et al. mithilfe der Methode der externen Fabry-Perot (FP)-Rückkopplungsanpassung eine Halbleiterlaserausgabe mit einer Linienbreite von 15 kHz. Die Methode der elektrischen Rückkopplung verwendete hauptsächlich die Pond-Drever-Hall-Frequenzstabilisierungsrückkopplung, um die Laserlinienbreite der Lichtquelle zu reduzieren. 2010 produzierten Bernhardi et al. 1 cm Erbium-dotiertes Aluminiumoxid-FBG auf einem Siliziumoxidsubstrat, um eine Laserausgabe mit einer Linienbreite von etwa 1,7 kHz zu erhalten. Im selben Jahr stellten Liang et al. nutzte die Selbstinjektionsrückkopplung der rückwärts gerichteten Rayleigh-Streuung, die durch einen Echowandresonator mit hohem Q-Faktor zur Linienbreitenkompression von Halbleiterlasern gebildet wird, wie in Abbildung 1 gezeigt, und erzielte schließlich eine Laserausgabe mit schmaler Linienbreite von 160 Hz.
Abb. 1 (a) Diagramm der Linienbreitenkompression eines Halbleiterlasers basierend auf der Selbstinjektions-Rayleigh-Streuung eines externen Whispering-Gallery-Mode-Resonators;
(b) Frequenzspektrum des freilaufenden Halbleiterlasers mit einer Linienbreite von 8 MHz;
(c) Frequenzspektrum des Lasers mit auf 160 Hz komprimierter Linienbreite
2.1.2 Faserlaser mit schmaler Linienbreite
Bei linearen Faserlasern wird ein Laserausgang mit schmaler Linienbreite und einem einzigen Longitudinalmodus durch Verkürzung der Resonatorlänge und Vergrößerung des Longitudinalmodusintervalls erreicht. Im Jahr 2004 erzielten Spiegelberg et al. mithilfe der DBR-Short-Cavity-Methode einen Laserausgang mit schmaler Linienbreite und einem einzigen Longitudinalmodus mit einer Linienbreite von 2 kHz. Im Jahr 2007 verwendeten Shen et al. eine 2 cm lange, stark Erbium-dotierte Siliziumfaser, um FBG auf eine mit Bi-Ge kodotierte lichtempfindliche Faser zu schreiben, und verschmolzen diese mit einer aktiven Faser zu einem kompakten linearen Resonator, wodurch die Linienbreite des Laserausgangs unter 1 kHz lag. Im Jahr 2010 verwendeten Yang et al. einen 2 cm langen, stark dotierten kurzen linearen Resonator in Kombination mit einem Schmalband-FBG-Filter, um einen Laserausgang mit einem einzigen Longitudinalmodus und einer Linienbreite von weniger als 2 kHz zu erzielen. Im Jahr 2014 verwendete das Team einen kurzen linearen Resonator (virtuell gefalteten Ringresonator) in Kombination mit einem FBG-FP-Filter, um einen Laserausgang mit schmalerer Linienbreite zu erhalten, wie in Abbildung 3 dargestellt. Im Jahr 2012 verwendeten Cai et al. eine 1,4 cm kurze Resonatorstruktur, um einen polarisierenden Laserausgang mit einer Ausgangsleistung von über 114 mW, einer zentralen Wellenlänge von 1540,3 nm und einer Linienbreite von 4,1 kHz zu erhalten. Im Jahr 2013 verwendeten Meng et al. die Brillouin-Streuung einer Erbium-dotierten Faser mit einem kurzen Ringresonator eines die volle Vorspannung erhaltenden Geräts, um einen Laserausgang im Einzellongitudinalmodus mit geringem Phasenrauschen und einer Ausgangsleistung von 10 mW zu erhalten. Im Jahr 2015 verwendete das Team einen Ringresonator aus einer 45 cm langen Erbium-dotierten Faser als Verstärkungsmedium für die Brillouin-Streuung, um einen Laserausgang mit niedriger Schwelle und schmaler Linienbreite zu erhalten.
Abb. 2 (a) Schematische Darstellung des SLC-Faserlasers;
(b) Linienform des Heterodynsignals, gemessen mit 97,6 km Faserverzögerung
Veröffentlichungszeit: 20. November 2023