Laserquellentechnologie füroptische FaserSensorik Teil Eins
Die optische Fasersensorik ist eine Sensortechnologie, die sich parallel zur optischen Fasertechnologie und der optischen Faserkommunikationstechnologie entwickelt hat und zu einem der aktivsten Zweige der photoelektrischen Technologie geworden ist. Ein optisches Fasersensorsystem besteht im Wesentlichen aus Laser, Übertragungsfaser, Sensorelement bzw. Modulationsbereich, Lichtdetektor und weiteren Komponenten. Zu den Parametern, die die Eigenschaften einer Lichtwelle beschreiben, gehören Intensität, Wellenlänge, Phase, Polarisationszustand usw. Diese Parameter können sich durch äußere Einflüsse während der optischen Übertragung verändern. Beispielsweise verändern sich diese Parameter entsprechend, wenn Temperatur, Dehnung, Druck, Strom, Verschiebung, Vibration, Rotation, Biegung oder chemische Substanzen den optischen Pfad beeinflussen. Die optische Fasersensorik basiert auf dem Zusammenhang zwischen diesen Parametern und den äußeren Faktoren, um die entsprechenden physikalischen Größen zu erfassen.
Es gibt viele Arten vonLaserquellewerden in optischen Fasersensorsystemen eingesetzt, die in zwei Kategorien unterteilt werden können: kohärentLaserquellenund inkohärente Lichtquellen, inkohärentLichtquellenZu den hauptsächlich verwendeten Lichtquellen zählen Glühlampen und Leuchtdioden, während zu den kohärenten Lichtquellen Festkörperlaser, Flüssigkeitslaser und Gaslaser gehören.HalbleiterlaserUndFaserlaserDas Folgende ist hauptsächlich für dieLaserlichtquelleWeit verbreitet im Bereich der Fasersensorik in den letzten Jahren: Laser mit schmaler Linienbreite und Einzelfrequenz, Laser mit Einzelwellenlängen-Durchstimmfrequenz und Weißlichtlaser.
1.1 Anforderungen an schmale LinienbreiteLaserlichtquellen
Optische Fasersensorsysteme sind untrennbar mit der Laserquelle verbunden, da die gemessene Trägerlichtwelle sowie die Eigenschaften der Laserquelle selbst – wie Leistungsstabilität, Linienbreite, Phasenrauschen und weitere Parameter – entscheidend für die Detektionsreichweite, Detektionsgenauigkeit, Empfindlichkeit und das Rauschverhalten des optischen Fasersensorsystems sind. In den letzten Jahren haben Wissenschaft und Industrie mit der Entwicklung von optischen Fasersensorsystemen mit ultrahoher Auflösung für große Entfernungen höhere Anforderungen an die Linienbreite miniaturisierter Laser gestellt. Dies betrifft insbesondere die optische Frequenzbereichsreflexionstechnologie (OFDR). Diese nutzt kohärente Detektion, um die Rückstreuung von Rayleigh-Licht in optischen Fasern im Frequenzbereich zu analysieren und bietet eine große Reichweite (mehrere tausend Meter). Dank ihrer hohen Auflösung (Millimeterbereich) und hohen Empfindlichkeit (bis zu -100 dBm) hat sich OFDR zu einer Technologie mit großem Anwendungspotenzial in der verteilten optischen Fasermesstechnik entwickelt. Kern der OFDR-Technologie ist die Verwendung einer abstimmbaren Lichtquelle zur optischen Frequenzabstimmung. Daher bestimmt die Leistung der Laserquelle Schlüsselfaktoren wie Detektionsreichweite, Empfindlichkeit und Auflösung. Wenn der Abstand des Reflexionspunktes nahe an der Kohärenzlänge liegt, wird die Intensität des Überlagerungssignals exponentiell mit dem Koeffizienten τ/τc abgeschwächt. Um bei einer Gaußschen Lichtquelle mit spektraler Form eine Sichtbarkeit der Überlagerungsfrequenz von über 90 % zu gewährleisten, gilt für die maximale Messlänge des Systems die Beziehung Lmax ~ 0,04vg/f. Dies bedeutet, dass die Linienbreite der Lichtquelle bei einer Faserlänge von 80 km unter 100 Hz liegen muss. Auch die Entwicklung anderer Anwendungen stellt höhere Anforderungen an die Linienbreite der Lichtquelle. Beispielsweise bestimmt sie in optischen Faserhydrophonsystemen das Systemrauschen und das minimal messbare Signal. Bei Brillouin-optischen Zeitbereichsreflektoren (BOTDR) wird die Messauflösung von Temperatur und Spannung maßgeblich durch die Linienbreite der Lichtquelle bestimmt. Bei einem faseroptischen Resonatorgyroskop kann die Kohärenzlänge der Lichtwelle durch Verringerung der Linienbreite der Lichtquelle erhöht werden. Dadurch werden die Feinheit und die Resonanztiefe des Resonators verbessert, die Linienbreite des Resonators verringert und die Messgenauigkeit des faseroptischen Gyroskops sichergestellt.
1.2 Anforderungen an durchstimmbare Laserquellen
Durchstimmbare Laser mit einer einzigen Wellenlänge bieten flexible Wellenlängenabstimmung, können Laser mit mehreren Ausgängen und fester Wellenlänge ersetzen, die Systemkosten senken und sind ein unverzichtbarer Bestandteil von optischen Fasersensorsystemen. Beispielsweise weisen verschiedene Gase in der Spurengasanalyse unterschiedliche Absorptionsmaxima auf. Um bei ausreichender Gaskonzentration eine hohe Lichtabsorptionseffizienz und eine hohe Messempfindlichkeit zu gewährleisten, muss die Wellenlänge der Transmissionslichtquelle auf das Absorptionsmaximum des Gasmoleküls abgestimmt werden. Die Art des detektierbaren Gases wird im Wesentlichen durch die Wellenlänge der Messlichtquelle bestimmt. Daher bieten Laser mit schmaler Linienbreite und stabiler Breitbandabstimmung eine höhere Messflexibilität in solchen Sensorsystemen. In einigen verteilten optischen Fasersensorsystemen, die auf optischer Frequenzbereichsreflexion basieren, muss der Laser beispielsweise schnell periodisch durchgestimmt werden, um eine hochpräzise kohärente Detektion und Demodulation optischer Signale zu erreichen. Daher sind die Anforderungen an die Modulationsrate der Laserquelle relativ hoch, und die Durchstimmgeschwindigkeit des einstellbaren Lasers muss üblicherweise 10 pm/µs erreichen. Darüber hinaus findet der wellenlängenverstimmbare Schmalbandlaser breite Anwendung in LiDAR, Laserfernerkundung, hochauflösender Spektralanalyse und anderen Sensoranwendungen. Um die hohen Leistungsanforderungen an die Abstimmungsbandbreite, die Abstimmgenauigkeit und die Abstimmgeschwindigkeit von Einzelwellenlängenlasern in der Fasersensorik zu erfüllen, liegt das übergeordnete Ziel der Forschung an abstimmbaren Schmalband-Faserlasern in den letzten Jahren darin, eine hochpräzise Abstimmung über einen größeren Wellenlängenbereich zu erreichen. Dies soll durch die Optimierung der Laserlinienbreite, des Phasenrauschens sowie der Ausgangsfrequenz und -leistung erreicht werden.
1.3 Nachfrage nach weißer Laserlichtquelle
Im Bereich der optischen Sensorik ist ein hochwertiger Weißlichtlaser von großer Bedeutung für die Leistungssteigerung von Systemen. Je breiter das Spektrum des Weißlichtlasers ist, desto vielfältiger sind seine Anwendungsmöglichkeiten in faseroptischen Sensorsystemen. Beispielsweise kann bei der Verwendung von Faser-Bragg-Gittern (FBG) zum Aufbau eines Sensornetzwerks die Spektralanalyse oder die Anpassung an abstimmbare Filter zur Demodulation eingesetzt werden. Bei der Spektralanalyse wird ein Spektrometer verwendet, um die Resonanzwellenlänge jedes FBG im Netzwerk direkt zu messen. Die Anpassung an abstimmbare Filter nutzt einen Referenzfilter, um das FBG während der Messung zu verfolgen und zu kalibrieren. Beide Verfahren erfordern eine Breitbandlichtquelle als Testlichtquelle für das FBG. Da jedes FBG-Zugriffsnetzwerk eine gewisse Einfügungsdämpfung und eine Bandbreite von mehr als 0,1 nm aufweist, benötigt die simultane Demodulation mehrerer FBG eine Breitbandlichtquelle mit hoher Leistung und großer Bandbreite. Bei der Verwendung von Langperioden-Fasergittern (LPFG) zur Sensorik ist beispielsweise aufgrund der Bandbreite eines einzelnen Verlustmaximums in der Größenordnung von 10 nm eine Breitbandlichtquelle mit ausreichender Bandbreite und relativ flachem Spektrum erforderlich, um die Resonanzspitzencharakteristik präzise zu erfassen. Insbesondere akustische Fasergitter (AIFG), die den akustooptischen Effekt nutzen, ermöglichen durch elektrische Abstimmung einen Abstimmbereich der Resonanzwellenlänge von bis zu 1000 nm. Die dynamische Prüfung von Gittern mit einem solch extrem breiten Abstimmbereich stellt daher eine große Herausforderung an die Bandbreite einer Breitbandlichtquelle dar. Auch geneigte Bragg-Fasergitter finden in den letzten Jahren breite Anwendung in der Fasersensorik. Aufgrund ihrer Verlustspektrum-Charakteristik mit mehreren Maxima kann der Wellenlängenbereich üblicherweise 40 nm erreichen. Ihr Messmechanismus basiert in der Regel auf dem Vergleich der relativen Bewegung mehrerer Transmissionsmaxima, weshalb eine vollständige Messung des Transmissionsspektrums notwendig ist. Hierfür sind eine hohe Bandbreite und Leistung der Breitbandlichtquelle erforderlich.
2. Forschungsstand im In- und Ausland
2.1 Laserlichtquelle mit schmaler Linienbreite
2.1.1 Schmalbandiger Halbleiter-DFB-Laser
Im Jahr 2006 reduzierten Cliche et al. die MHz-Skala von HalbleiternDFB-Laser(Verteilte Rückkopplungslaser) bis in den kHz-Bereich mittels elektrischer Rückkopplung; 2011 verwendeten Kessler et al. einen Einkristallresonator mit niedriger Temperatur und hoher Stabilität in Kombination mit aktiver Rückkopplungsregelung, um eine Laserleistung mit extrem schmaler Linienbreite von 40 MHz zu erzielen; 2013 erreichten Peng et al. eine Halbleiterlaserleistung mit einer Linienbreite von 15 kHz durch externe Fabry-Perot-Rückkopplungsanpassung. Die elektrische Rückkopplungsmethode nutzte hauptsächlich die Pond-Drever-Hall-Frequenzstabilisierung, um die Laserlinienbreite der Lichtquelle zu reduzieren. 2010 stellten Bernhardi et al. ein 1 cm² großes Erbium-dotiertes Aluminiumoxid-FBG auf einem Siliziumdioxidsubstrat her, um eine Laserleistung mit einer Linienbreite von etwa 1,7 kHz zu erzielen. Im selben Jahr erzielten Liang et al. Die Selbstinjektionsrückkopplung der rückwärts gerichteten Rayleigh-Streuung, die durch einen Echo-Wandresonator mit hoher Güte zur Kompression der Linienbreite eines Halbleiterlasers erzeugt wird, wurde wie in Abbildung 1 gezeigt genutzt, und schließlich wurde ein Laserausgang mit schmaler Linienbreite von 160 Hz erzielt.
Abb. 1 (a) Schema 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 Schmalbandiger Faserlaser
Bei linearen Faserlasern wird die schmale Linienbreite des Laserausgangs im Einzellängsmodus durch Verkürzung des Resonators und Vergrößerung des Längsmodenabstands erzielt. 2004 erreichten Spiegelberg et al. mit Hilfe der DBR-Kurzresonatormethode einen Laserausgang im Einzellängsmodus mit einer Linienbreite von 2 kHz. 2007 nutzten Shen et al. eine 2 cm lange, hoch erbiumdotierte Siliziumfaser, um FBG auf eine Bi-Ge-kodotierte, fotoempfindliche Faser zu schreiben und diese mit einer aktiven Faser zu einem kompakten linearen Resonator zu fusionieren. Dadurch wurde die Linienbreite des Laserausgangs auf unter 1 kHz reduziert. 2010 verwendeten Yang et al. einen 2 cm langen, hochdotierten, kurzen linearen Resonator in Kombination mit einem Schmalband-FBG-Filter, um einen Laserausgang im Einzellängsmodus mit einer Linienbreite von unter 2 kHz zu erzielen. Im Jahr 2014 nutzte das Team einen kurzen linearen Resonator (virtuellen gefalteten Ringresonator) in Kombination mit einem FBG-FP-Filter, um einen Laser mit schmalerer Linienbreite zu erzeugen (siehe Abbildung 3). 2012 verwendeten Cai et al. eine 1,4 cm kurze Resonatorstruktur, um einen polarisierenden Laser mit einer Ausgangsleistung von über 114 mW, einer zentralen Wellenlänge von 1540,3 nm und einer Linienbreite von 4,1 kHz zu erzielen. 2013 nutzten Meng et al. die Brillouin-Streuung einer erbiumdotierten Faser mit einem kurzen Ringresonator eines vollständig vorspannungserhaltenden Bauelements, um einen Laser mit geringem Phasenrauschen im Einzelmodenbetrieb und einer Ausgangsleistung von 10 mW zu erhalten. 2015 verwendete das Team einen Ringresonator aus 45 cm erbiumdotierter Faser als Brillouin-Streumedium, um einen Laser mit niedriger Schwellenleistung und schmaler Linienbreite zu erzeugen.
Abb. 2 (a) Schematische Darstellung des SLC-Faserlasers;
(b) Linienform des Heterodynsignals, gemessen mit einer Faserverzögerung von 97,6 km.
Veröffentlichungsdatum: 20. November 2023