Laserquellentechnologie für optische Fasersensoren – Teil Zwei
2.2 Einzelwellenlängen-SweepLaserquelle
Die Realisierung eines Laser-Einzelwellenlängen-Sweeps dient im Wesentlichen der Kontrolle der physikalischen Eigenschaften des Geräts in derLaserResonator (normalerweise die Mittenwellenlänge der Betriebsbandbreite), um die Steuerung und Auswahl des oszillierenden Longitudinalmodus im Resonator zu erreichen und so die Abstimmung der Ausgangswellenlänge zu erreichen. Basierend auf diesem Prinzip wurden bereits in den 1980er Jahren abstimmbare Faserlaser realisiert, indem eine reflektierende Endfläche des Lasers durch ein reflektierendes Beugungsgitter ersetzt und der Laserresonatormodus durch manuelles Drehen und Abstimmen des Beugungsgitters ausgewählt wurde. Im Jahr 2011 verwendeten Zhu et al. abstimmbare Filter, um einen einwelligen abstimmbaren Laserausgang mit schmaler Linienbreite zu erzielen. Im Jahr 2016 wurde der Rayleigh-Linienbreitenkompressionsmechanismus auf die Zweiwellenlängenkompression angewendet, d. h., es wurde Spannung auf das FBG ausgeübt, um eine Zweiwellenlängen-Laserabstimmung zu erreichen, und gleichzeitig die Ausgangslaserlinienbreite überwacht, wodurch ein Wellenlängenabstimmungsbereich von 3 nm erreicht wurde. Zweiwelliger stabiler Ausgang mit einer Linienbreite von ca. 700 Hz. Im Jahr 2017 verwendete Graphen und ein Mikro-Nanofaser-Bragg-Gitter, um einen rein optischen abstimmbaren Filter herzustellen, und nutzte in Kombination mit der Brillouin-Laserverengungstechnologie den photothermischen Effekt von Graphen bei etwa 1550 nm, um eine Laserlinienbreite von nur 750 Hz und eine photogesteuerte schnelle und genaue Abtastung von 700 MHz/ms im Wellenlängenbereich von 3,67 nm zu erreichen. Wie in Abbildung 5 gezeigt. Die obige Wellenlängensteuerungsmethode realisiert die Lasermodusauswahl grundsätzlich durch direktes oder indirektes Ändern der mittleren Durchlasswellenlänge des Geräts im Laserresonator.
Abb. 5 (a) Experimenteller Aufbau des optisch steuerbaren Wellenlängen-abstimmbarer Faserlaserund das Messsystem;
(b) Ausgangsspektren am Ausgang 2 mit der Verstärkung der steuernden Pumpe
2.3 Weiße Laserlichtquelle
Die Entwicklung der weißen Lichtquelle hat verschiedene Stadien durchlaufen, wie z. B. Halogen-Wolfram-Lampe, Deuterium-Lampe,Halbleiterlaserund Superkontinuum-Lichtquelle. Insbesondere erzeugt die Superkontinuum-Lichtquelle unter Anregung mit Femtosekunden- oder Pikosekundenpulsen mit supertransienter Leistung nichtlineare Effekte unterschiedlicher Ordnung im Wellenleiter, wodurch das Spektrum stark erweitert wird und den Bereich vom sichtbaren Licht bis zum nahen Infrarot abdeckt und eine starke Kohärenz aufweist. Durch Anpassung der Dispersion und Nichtlinearität der Spezialfaser kann das Spektrum sogar bis in den mittleren Infrarotbereich erweitert werden. Diese Art von Laserquelle wird in vielen Bereichen eingesetzt, beispielsweise in der optischen Kohärenztomographie, der Gasdetektion, der biologischen Bildgebung usw. Aufgrund der Beschränkungen der Lichtquelle und des nichtlinearen Mediums wurde das frühe Superkontinuum-Spektrum hauptsächlich durch Festkörperlaserpumpen von optischem Glas erzeugt, um das Superkontinuum-Spektrum im sichtbaren Bereich zu erzeugen. Seitdem hat sich die Glasfaser aufgrund ihres großen nichtlinearen Koeffizienten und kleinen Transmissionsmodenfelds nach und nach zu einem hervorragenden Medium zur Erzeugung von Breitband-Superkontinuum entwickelt. Zu den wichtigsten nichtlinearen Effekten zählen Vierwellenmischung, Modulationsinstabilität, Selbstphasenmodulation, Kreuzphasenmodulation, Solitonenaufspaltung, Raman-Streuung, Solitonen-Selbstfrequenzverschiebung usw. Der Anteil jedes Effekts variiert je nach Impulsbreite des Anregungsimpulses und der Dispersion der Faser. Im Allgemeinen konzentriert sich die Entwicklung von Superkontinuum-Lichtquellen heute hauptsächlich auf die Verbesserung der Laserleistung und die Erweiterung des Spektralbereichs, wobei der Kohärenzkontrolle besondere Aufmerksamkeit gewidmet wird.
3 Zusammenfassung
Dieser Artikel fasst die Laserquellen für die Fasersensortechnologie zusammen und bewertet sie. Dazu gehören schmalbandige Laser, einfrequenzabstimmbare Laser und breitbandige Weißlichtlaser. Die Anwendungsanforderungen und der Entwicklungsstand dieser Laser im Bereich der Fasersensorik werden detailliert vorgestellt. Die Analyse ihrer Anforderungen und ihres Entwicklungsstandes führt zu dem Schluss, dass die ideale Laserquelle für die Fasersensorik eine ultraschmale und ultrastabile Laserleistung in jedem Band und zu jeder Zeit erreichen kann. Wir beginnen daher mit schmalbandigen Lasern, abstimmbaren schmalbandigen Lasern und Weißlichtlasern mit großer Verstärkungsbandbreite und finden durch die Analyse ihrer Entwicklung einen effektiven Weg zur Realisierung der idealen Laserquelle für die Fasersensorik.
Veröffentlichungszeit: 21. November 2023