Laserquellentechnologie füroptische FaserTeil Eins spüren
Die optische Fasersensortechnologie ist eine Art Sensortechnologie, die zusammen mit der optischen Fasertechnologie und der optischen Faserkommunikationstechnologie entwickelt wurde und sich zu einem der aktivsten Zweige der fotoelektrischen Technologie entwickelt hat. Das optische Fasersensorsystem besteht hauptsächlich aus Laser, Übertragungsfaser, Sensorelement oder Modulationsbereich, Lichterkennung und anderen Teilen. Zu den Parametern, die die Eigenschaften einer Lichtwelle beschreiben, gehören Intensität, Wellenlänge, Phase, Polarisationszustand usw. Diese Parameter können durch äußere Einflüsse bei der Übertragung über optische Fasern verändert werden. Wenn beispielsweise Temperatur, Spannung, Druck, Strom, Verschiebung, Vibration, Rotation, Biegung und chemische Mengen den optischen Pfad beeinflussen, ändern sich diese Parameter entsprechend. Die optische Fasererfassung basiert auf der Beziehung zwischen diesen Parametern und externen Faktoren, um die entsprechenden physikalischen Größen zu erfassen.
Es gibt viele Arten vonLaserquelleWird in optischen Fasersensorsystemen verwendet und kann in zwei Kategorien unterteilt werden: kohärentLaserquellenund inkohärente Lichtquellen, inkohärentLichtquellenumfassen hauptsächlich Glühlampen und Leuchtdioden, und kohärente Lichtquellen umfassen Feststofflaser, Flüssigkeitslaser, Gaslaser,HalbleiterlaserUndFaserlaser. Das Folgende ist hauptsächlich für dieLaserlichtquelleIn den letzten Jahren weit verbreitet im Bereich der Fasersensorik eingesetzt: Einzelfrequenzlaser mit schmaler Linienbreite, Wobbelfrequenzlaser mit einer Wellenlänge und Weißlaser.
1.1 Anforderungen an schmale LinienbreiteLaserlichtquellen
Das optische Fasererfassungssystem kann nicht von der Laserquelle getrennt werden, da die gemessene Signalträgerlichtwelle, die Leistung der Laserlichtquelle selbst, wie Leistungsstabilität, Laserlinienbreite, Phasenrauschen und andere Parameter den Erkennungsabstand und die Erkennung des optischen Fasererfassungssystems beeinflussen Dabei spielen Genauigkeit, Empfindlichkeit und Rauscheigenschaften eine entscheidende Rolle. In den letzten Jahren haben Wissenschaft und Industrie mit der Entwicklung ultrahochauflösender optischer Fasersensorsysteme für große Entfernungen strengere Anforderungen an die Linienbreitenleistung der Laserminiaturisierung gestellt, vor allem in folgenden Bereichen: Die OFDR-Technologie (Optical Frequency Domain Reflection) verwendet Kohärenz Detektionstechnologie zur Analyse der Backrayleigh-Streusignale von optischen Fasern im Frequenzbereich mit einer großen Abdeckung (Tausende von Metern). Die Vorteile der hohen Auflösung (Auflösung im Millimeterbereich) und der hohen Empfindlichkeit (bis zu -100 dBm) haben sich zu einer der Technologien mit breiten Anwendungsaussichten in der verteilten optischen Fasermess- und Sensortechnologie entwickelt. Der Kern der OFDR-Technologie besteht darin, eine abstimmbare Lichtquelle zu verwenden, um eine optische Frequenzabstimmung zu erreichen. Daher bestimmt die Leistung der Laserquelle die Schlüsselfaktoren wie den OFDR-Erkennungsbereich, die Empfindlichkeit und die Auflösung. Wenn der Reflexionspunktabstand nahe an der Kohärenzlänge liegt, wird die Intensität des Schwebungssignals exponentiell um den Koeffizienten τ/τc gedämpft. Um sicherzustellen, dass die Schwebungsfrequenz bei einer Gaußschen Lichtquelle mit Spektralform mehr als 90 % sichtbar ist, beträgt das Verhältnis zwischen der Linienbreite der Lichtquelle und der maximalen Erfassungslänge, die das System erreichen kann, Lmax~0,04 vg /f, was bedeutet, dass bei einer Faser mit einer Länge von 80 km die Linienbreite der Lichtquelle weniger als 100 Hz beträgt. Darüber hinaus stellen die Entwicklung anderer Anwendungen auch höhere Anforderungen an die Linienbreite der Lichtquelle. Beispielsweise bestimmt im Glasfaser-Hydrophonsystem die Linienbreite der Lichtquelle das Systemrauschen und bestimmt auch 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 faseroptischen Resonatorkreisel kann die Kohärenzlänge der Lichtwelle durch Verringern der Linienbreite der Lichtquelle erhöht werden, wodurch die Feinheit und Resonanztiefe des Resonators verbessert, die Linienbreite des Resonators verringert und die Messung sichergestellt wird Genauigkeit des Glasfaserkreisels.
1.2 Anforderungen an Sweep-Laserquellen
Der Sweep-Laser mit einer Wellenlänge verfügt über eine flexible Wellenlängenabstimmungsleistung, kann Laser mit fester Wellenlänge mit mehreren Ausgängen ersetzen, die Kosten für den Systemaufbau senken und ist ein unverzichtbarer Bestandteil des optischen Fasererfassungssystems. Beispielsweise weisen bei der Spurengas-Fasersensorik unterschiedliche Gasarten unterschiedliche Gasabsorptionsspitzen auf. Um die Lichtabsorptionseffizienz bei ausreichender Messgasmenge sicherzustellen und eine höhere Messempfindlichkeit zu erreichen, ist es notwendig, die Wellenlänge der Transmissionslichtquelle an den Absorptionspeak des Gasmoleküls anzupassen. Die Art des detektierbaren Gases wird im Wesentlichen durch die Wellenlänge der Sensorlichtquelle bestimmt. Daher weisen Laser mit schmaler Linienbreite und stabiler breitbandiger Abstimmungsleistung in solchen Sensorsystemen eine höhere Messflexibilität auf. Beispielsweise muss in einigen verteilten optischen Fasersensorsystemen, die auf Reflexion im optischen Frequenzbereich basieren, der Laser schnell und periodisch abgetastet werden, um eine hochpräzise kohärente Erkennung und Demodulation optischer Signale zu erreichen, sodass an die Modulationsrate der Laserquelle relativ hohe Anforderungen gestellt werden , und die Abtastgeschwindigkeit des einstellbaren Lasers muss normalerweise 10 pm/μs erreichen. Darüber hinaus kann der wellenlängenabstimmbare Laser mit schmaler Linienbreite auch in großem Umfang in LiDAR, Laserfernerkundung und hochauflösender Spektralanalyse sowie anderen Erfassungsbereichen eingesetzt werden. Um den Anforderungen der Hochleistungsparameter Abstimmbandbreite, Abstimmgenauigkeit und Abstimmgeschwindigkeit von Einzelwellenlängenlasern im Bereich der Fasersensorik gerecht zu werden, besteht das Gesamtziel der Untersuchung abstimmbarer Faserlaser mit schmaler Breite in den letzten Jahren darin, eine hohe Präzisionsabstimmung in einem größeren Wellenlängenbereich auf der Grundlage einer ultraschmalen Laserlinienbreite, extrem niedrigem Phasenrauschen und ultrastabiler Ausgangsfrequenz und -leistung.
1.3 Nachfrage nach weißen Laserlichtquellen
Im Bereich der optischen Sensorik sind hochwertige Weißlichtlaser von großer Bedeutung, um die Leistung des Systems zu verbessern. Je breiter die Spektralabdeckung des Weißlichtlasers ist, desto umfangreicher ist seine Anwendung in optischen Fasersensorsystemen. Wenn beispielsweise ein Faser-Bragg-Gitter (FBG) zum Aufbau eines Sensornetzwerks verwendet wird, könnte die Spektralanalyse oder ein abstimmbares Filteranpassungsverfahren zur Demodulation verwendet werden. Ersteres nutzte ein Spektrometer, um jede FBG-Resonanzwellenlänge im Netzwerk direkt zu testen. Letzteres verwendet einen Referenzfilter, um das FBG in der Erfassung zu verfolgen und zu kalibrieren. Beides erfordert eine Breitbandlichtquelle als Testlichtquelle für das FBG. Da jedes FBG-Zugangsnetzwerk eine gewisse Einfügungsdämpfung aufweist und eine Bandbreite von mehr als 0,1 nm aufweist, erfordert die gleichzeitige Demodulation mehrerer FBG eine breitbandige Lichtquelle mit hoher Leistung und hoher Bandbreite. Wenn beispielsweise ein langperiodisches Fasergitter (LPFG) für die Erfassung verwendet wird, ist eine Breitspektrum-Lichtquelle mit ausreichender Bandbreite und relativ flachem Spektrum erforderlich, um seine Resonanz genau zu charakterisieren, da die Bandbreite eines einzelnen Verlustpeaks in der Größenordnung von 10 nm liegt Spitzeneigenschaften. Insbesondere akustische Fasergitter (AIFG), die unter Nutzung des akustooptischen Effekts konstruiert werden, können durch elektrische Abstimmung einen Abstimmbereich mit Resonanzwellenlängen bis zu 1000 nm erreichen. Daher stellt das Testen dynamischer Gitter mit einem solch extrem breiten Abstimmbereich eine große Herausforderung für den Bandbreitenbereich einer Lichtquelle mit breitem Spektrum dar. In ähnlicher Weise wurden in den letzten Jahren auch geneigte Bragg-Fasergitter häufig im Bereich der Fasersensorik eingesetzt. Aufgrund der Eigenschaften des Multi-Peak-Verlustspektrums kann der Wellenlängenverteilungsbereich normalerweise 40 nm erreichen. Sein Erfassungsmechanismus besteht normalerweise darin, die relative Bewegung zwischen mehreren Transmissionsspitzen zu vergleichen, daher ist es notwendig, sein Transmissionsspektrum vollständig zu messen. Die Bandbreite und Leistung der Breitspektrum-Lichtquelle muss höher sein.
2. Forschungsstatus im In- und Ausland
2.1 Laserlichtquelle mit schmaler Linienbreite
2.1.1 Halbleiter-Distributed-Feedback-Laser mit schmaler Linienbreite
Im Jahr 2006 stellten Cliche et al. reduzierte die MHz-Skala von HalbleiternDFB-Laser(Laser mit verteilter Rückkopplung) auf kHz-Skala unter Verwendung der elektrischen Rückkopplungsmethode; Im Jahr 2011 haben Kessler et al. verwendete einen Einkristallhohlraum mit niedriger Temperatur und hoher Stabilität in Kombination mit aktiver Rückkopplungssteuerung, um eine Laserleistung mit ultraschmaler Linienbreite von 40 MHz zu erhalten; Im Jahr 2013 erzielten Peng et al. mithilfe der Methode der externen Fabry-Perot (FP)-Rückkopplungsanpassung einen Halbleiterlaserausgang mit einer Linienbreite von 15 kHz. Die elektrische Rückkopplungsmethode nutzte hauptsächlich die Frequenzstabilisierungsrückkopplung nach Pond-Drever-Hall, um die Laserlinienbreite der Lichtquelle zu reduzieren. Im Jahr 2010 haben Bernhardi et al. erzeugten 1 cm Erbium-dotiertes Aluminiumoxid FBG auf einem Siliziumoxidsubstrat, um eine Laserleistung mit einer Linienbreite von etwa 1,7 kHz zu erhalten. Im selben Jahr stellten Liang et al. nutzten die Selbstinjektionsrückkopplung der Rückwärts-Rayleigh-Streuung, die von einem High-Q-Echowandresonator für die Linienbreitenkomprimierung von Halbleiterlasern gebildet wurde, wie in Abbildung 1 dargestellt, und erhielten schließlich eine schmale Linienbreiten-Laserausgabe von 160 Hz.
Abb. 1 (a) Diagramm der Linienbreitenkomprimierung von Halbleiterlasern basierend auf der Selbstinjektions-Rayleigh-Streuung eines externen Flüstergalerie-Moderesonators;
(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 Faserlasern mit linearem Hohlraum wird die schmale Linienbreite des Laserausgangs eines einzelnen Longitudinalmodus durch Verkürzen der Länge des Resonators und Erhöhen des Longitudinalmodenintervalls erreicht. Im Jahr 2004 stellten Spiegelberg et al. erhielten mithilfe der DBR-Short-Cavity-Methode einen einzelnen Longitudinalmodus-Laserausgang mit schmaler Linienbreite und einer Linienbreite von 2 kHz. Im Jahr 2007 stellten Shen et al. verwendete eine 2 cm lange, stark mit Erbium dotierte Siliziumfaser, um FBG auf eine mit Bi-Ge dotierte lichtempfindliche Faser zu schreiben, und verschmolz sie mit einer aktiven Faser, um einen kompakten linearen Hohlraum zu bilden, wodurch die Linienbreite des Laserausgangs weniger als 1 kHz beträgt. Im Jahr 2010 stellten Yang et al. verwendeten einen 2 cm großen hochdotierten kurzen linearen Hohlraum in Kombination mit einem schmalbandigen FBG-Filter, um einen einzelnen Longitudinalmodus-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 schmaleren Linienbreite zu erhalten, wie in Abbildung 3 dargestellt. Im Jahr 2012 stellten Cai et al. verwendeten 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 stellten Meng et al. nutzten die Brillouin-Streuung einer Erbium-dotierten Faser mit einem kurzen Ringhohlraum eines Geräts zur Erhaltung der vollständigen Vorspannung, um einen Laserausgang mit einem einzigen Längsmodus und geringem Phasenrauschen und einer Ausgangsleistung von 10 mW zu erhalten. Im Jahr 2015 verwendete das Team einen Ringhohlraum aus 45 cm Erbium-dotierten Fasern als Brillouin-Streuungsverstärkungsmedium, um eine niedrige Schwelle und eine schmale Linienbreite der Laserleistung zu erzielen.
Abb. 2 (a) Schematische Darstellung des SLC-Faserlasers;
(b) Linienform des Heterodynsignals, gemessen mit einer Faserverzögerung von 97,6 km
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 20. November 2023