Laserquellentechnologie für die optische Fasersensorik Teil Zwei
2.2 Einzelwellenlängen-SweepLaserquelle
Die Realisierung eines Laser-Einzelwellenlängen-Sweeps dient im Wesentlichen der Kontrolle der physikalischen Eigenschaften des Bauelements.LaserUm die Schwingungsmoden im Resonator (üblicherweise die Mittenwellenlänge der Betriebsbandbreite) zu steuern und auszuwählen und so die Ausgangswellenlänge abzustimmen, wurde bereits in den 1980er Jahren die Realisierung abstimmbarer Faserlaser hauptsächlich durch den Austausch der reflektierenden Endfläche des Lasers gegen ein reflektierendes Beugungsgitter und die Auswahl des Laserresonatormodus durch manuelles Drehen und Abstimmen des Beugungsgitters erreicht. 2011 verwendeten Zhu et al. abstimmbare Filter, um einen abstimmbaren Laserausgang mit schmaler Linienbreite bei einer einzelnen Wellenlänge zu erzielen. 2016 wurde der Rayleigh-Linienbreitenkompressionsmechanismus auf die Zweiwellenlängenkompression angewendet, d. h. durch die Anwendung von Spannung auf ein FBG zur Zweiwellenlängenabstimmung des Lasers, wobei gleichzeitig die Linienbreite des Ausgangslasers überwacht wurde. So wurde ein Wellenlängenabstimmbereich von 3 nm erreicht. Es wurde ein stabiler Zweiwellenlängenausgang mit einer Linienbreite von ca. 700 Hz erzielt. 2017 veröffentlichten Zhu et al. Mithilfe von Graphen und Mikro-Nanofaser-Bragg-Gittern wurde ein rein optischer, abstimmbarer Filter hergestellt. In Kombination mit der Brillouin-Laserverengungstechnologie wurde der photothermische Effekt von Graphen bei etwa 1550 nm genutzt, um eine Laserlinienbreite von nur 750 Hz und ein fotogesteuertes, schnelles und präzises Scannen mit 700 MHz/ms im Wellenlängenbereich von 3,67 nm zu erreichen (siehe Abbildung 5). Dieses Wellenlängensteuerungsverfahren ermöglicht die Auswahl des Lasermodus durch direkte oder indirekte Änderung der Mittenwellenlänge des Durchlassbereichs im Laserresonator.
Abb. 5 (a) Experimenteller Aufbau der optisch steuerbaren Wellenlängeabstimmbarer Faserlaserund das Messsystem;
(b) Ausgangsspektren am Ausgang 2 mit der Verstärkung der Steuerpumpe
2.3 Weiße Laserlichtquelle
Die Entwicklung von Weißlichtquellen hat verschiedene Stadien durchlaufen, wie zum Beispiel die Halogen-Wolfram-Lampe und die Deuterium-Lampe.Halbleiterlaserund Superkontinuum-Lichtquellen. Insbesondere erzeugt die Superkontinuum-Lichtquelle unter Anregung mit Femtosekunden- oder Pikosekundenpulsen hoher transienter Leistung nichtlineare Effekte verschiedener Ordnungen im Wellenleiter. Das Spektrum wird stark verbreitert und deckt den Bereich vom sichtbaren Licht bis zum nahen Infrarot ab. Zudem weist es eine hohe Kohärenz auf. Durch Anpassung der Dispersion und Nichtlinearität der Spezialfaser lässt sich das Spektrum sogar bis in den mittleren Infrarotbereich erweitern. Diese Art von Laserquelle findet breite Anwendung in vielen Bereichen, wie beispielsweise der optischen Kohärenztomographie, der Gasanalyse und der biologischen Bildgebung. Aufgrund der Beschränkungen der Lichtquelle und des nichtlinearen Mediums wurde das frühe Superkontinuum-Spektrum hauptsächlich durch Festkörperlaser-Pumpen von optischem Glas im sichtbaren Bereich erzeugt. Inzwischen hat sich die optische Faser aufgrund ihres hohen nichtlinearen Koeffizienten und des geringen Transmissionsmodenfeldes zu einem hervorragenden Medium für die 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 Pulsbreite des Anregungspulses und Dispersion der Faser. Aktuell liegt der Fokus bei Superkontinuum-Lichtquellen auf der Verbesserung der Laserleistung und der Erweiterung des Spektralbereichs, wobei die Kohärenzkontrolle im Vordergrund steht.
3 Zusammenfassung
Diese Arbeit fasst die in der Fasersensorik eingesetzten Laserquellen zusammen und gibt einen Überblick. Dazu gehören Laser mit schmaler Linienbreite, abstimmbare Laser mit einer einzigen Frequenz und Breitband-Weißlichtlaser. Die Anwendungsanforderungen und der Entwicklungsstand dieser Laser im Bereich der Fasersensorik werden detailliert erläutert. Die Analyse dieser Anforderungen und des Entwicklungsstands zeigt, dass die ideale Laserquelle für die Fasersensorik eine extrem schmale und stabile Laserleistung in jedem Frequenzband und zu jeder Zeit ermöglicht. Daher beginnen wir mit Lasern mit schmaler Linienbreite, abstimmbaren Lasern mit schmaler Linienbreite und Weißlichtlasern mit großer Verstärkungsbandbreite und untersuchen deren Entwicklung, um einen effektiven Weg zur Realisierung der idealen Laserquelle für die Fasersensorik zu finden.
Veröffentlichungsdatum: 21. November 2023