Τεχνολογία πηγής λέιζερ γιαοπτική ίναανίχνευση Μέρος Πρώτο
Η τεχνολογία ανίχνευσης οπτικών ινών είναι ένα είδος τεχνολογίας ανίχνευσης που αναπτύχθηκε μαζί με την τεχνολογία οπτικών ινών και την τεχνολογία επικοινωνίας οπτικών ινών και έχει γίνει ένας από τους πιο ενεργούς κλάδους της φωτοηλεκτρικής τεχνολογίας. Το σύστημα ανίχνευσης οπτικών ινών αποτελείται κυρίως από λέιζερ, ίνα μετάδοσης, στοιχείο ανίχνευσης ή περιοχή διαμόρφωσης, ανίχνευση φωτός και άλλα μέρη. Οι παράμετροι που περιγράφουν τα χαρακτηριστικά του φωτεινού κύματος περιλαμβάνουν την ένταση, το μήκος κύματος, τη φάση, την κατάσταση πόλωσης κ.λπ. Αυτές οι παράμετροι μπορούν να αλλάξουν από εξωτερικές επιδράσεις στη μετάδοση οπτικών ινών. Για παράδειγμα, όταν η θερμοκρασία, η τάση, η πίεση, το ρεύμα, η μετατόπιση, η δόνηση, η περιστροφή, η κάμψη και η χημική ποσότητα επηρεάζουν την οπτική διαδρομή, αυτές οι παράμετροι αλλάζουν αντίστοιχα. Η ανίχνευση οπτικών ινών βασίζεται στη σχέση μεταξύ αυτών των παραμέτρων και εξωτερικών παραγόντων για την ανίχνευση των αντίστοιχων φυσικών μεγεθών.
Υπάρχουν πολλά είδηπηγή λέιζερπου χρησιμοποιούνται σε συστήματα ανίχνευσης οπτικών ινών, τα οποία μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες: συνεκτικάπηγές λέιζερκαι ασυνάρτητες πηγές φωτός, ασυνάρτητεςπηγές φωτόςπεριλαμβάνουν κυρίως φως πυρακτώσεως και διόδους εκπομπής φωτός, και οι πηγές συνεκτικού φωτός περιλαμβάνουν στερεά λέιζερ, υγρά λέιζερ, λέιζερ αερίου,λέιζερ ημιαγωγώνκαιλέιζερ οπτικών ινώνΤα παρακάτω αφορούν κυρίως τοπηγή φωτός λέιζερΧρησιμοποιείται ευρέως στον τομέα της ανίχνευσης οπτικών ινών τα τελευταία χρόνια: λέιζερ στενού πλάτους γραμμής μονής συχνότητας, λέιζερ συχνότητας σάρωσης μονού μήκους κύματος και λευκό λέιζερ.
1.1 Απαιτήσεις για στενό πλάτος γραμμήςπηγές φωτός λέιζερ
Το σύστημα ανίχνευσης οπτικών ινών δεν μπορεί να διαχωριστεί από την πηγή λέιζερ, καθώς το μετρούμενο φωτεινό κύμα του φορέα σήματος, η απόδοση της ίδιας της πηγής φωτός λέιζερ, όπως η σταθερότητα ισχύος, το πλάτος γραμμής λέιζερ, ο θόρυβος φάσης και άλλες παράμετροι στην απόσταση ανίχνευσης του συστήματος ανίχνευσης οπτικών ινών, η ακρίβεια ανίχνευσης, η ευαισθησία και τα χαρακτηριστικά θορύβου παίζουν καθοριστικό ρόλο. Τα τελευταία χρόνια, με την ανάπτυξη συστημάτων ανίχνευσης οπτικών ινών εξαιρετικά υψηλής ανάλυσης σε μεγάλες αποστάσεις, ο ακαδημαϊκός κόσμος και η βιομηχανία έχουν προτείνει αυστηρότερες απαιτήσεις για την απόδοση του πλάτους γραμμής της σμίκρυνσης λέιζερ, κυρίως σε: Η τεχνολογία ανάκλασης οπτικής συχνότητας (OFDR) χρησιμοποιεί τεχνολογία συνεκτικής ανίχνευσης για την ανάλυση των σκεδασμένων σημάτων backrayleigh των οπτικών ινών στο πεδίο συχνότητας, με ευρεία κάλυψη (χιλιάδες μέτρα). Τα πλεονεκτήματα της υψηλής ανάλυσης (ανάλυση επιπέδου χιλιοστού) και της υψηλής ευαισθησίας (έως -100 dBm) έχουν γίνει μία από τις τεχνολογίες με ευρείες προοπτικές εφαρμογής στην τεχνολογία μέτρησης και ανίχνευσης κατανεμημένων οπτικών ινών. Ο πυρήνας της τεχνολογίας OFDR είναι η χρήση ρυθμιζόμενης πηγής φωτός για την επίτευξη οπτικής ρύθμισης συχνότητας, έτσι ώστε η απόδοση της πηγής λέιζερ να καθορίζει βασικούς παράγοντες όπως το εύρος ανίχνευσης OFDR, η ευαισθησία και η ανάλυση. Όταν η απόσταση του σημείου ανάκλασης είναι κοντά στο μήκος συνοχής, η ένταση του σήματος παλμού θα εξασθενήσει εκθετικά κατά τον συντελεστή τ/τc. Για μια γκαουσιανή πηγή φωτός με φασματικό σχήμα, προκειμένου να διασφαλιστεί ότι η συχνότητα παλμού έχει ορατότητα μεγαλύτερη από 90%, η σχέση μεταξύ του πλάτους γραμμής της πηγής φωτός και του μέγιστου μήκους ανίχνευσης που μπορεί να επιτύχει το σύστημα είναι Lmax~0,04vg/f, πράγμα που σημαίνει ότι για μια ίνα μήκους 80 km, το πλάτος γραμμής της πηγής φωτός είναι μικρότερο από 100 Hz. Επιπλέον, η ανάπτυξη άλλων εφαρμογών θέτει επίσης υψηλότερες απαιτήσεις για το πλάτος γραμμής της πηγής φωτός. Για παράδειγμα, στο σύστημα υδροφώνων οπτικών ινών, το πλάτος γραμμής της πηγής φωτός καθορίζει τον θόρυβο του συστήματος και επίσης καθορίζει το ελάχιστο μετρήσιμο σήμα του συστήματος. Στον οπτικό ανακλαστήρα χρονικού πεδίου Brillouin (BOTDR), η ανάλυση μέτρησης της θερμοκρασίας και της τάσης καθορίζεται κυρίως από το πλάτος γραμμής της πηγής φωτός. Σε ένα γυροσκόπιο οπτικών ινών συντονιστή, το μήκος συνοχής του φωτεινού κύματος μπορεί να αυξηθεί μειώνοντας το πλάτος της γραμμής της πηγής φωτός, βελτιώνοντας έτσι τη λεπτότητα και το βάθος συντονισμού του συντονιστή, μειώνοντας το πλάτος της γραμμής του συντονιστή και εξασφαλίζοντας την ακρίβεια μέτρησης του γυροσκοπίου οπτικών ινών.
1.2 Απαιτήσεις για πηγές λέιζερ σάρωσης
Το λέιζερ σάρωσης μονού μήκους κύματος έχει ευέλικτη απόδοση συντονισμού κύματος, μπορεί να αντικαταστήσει λέιζερ σταθερού μήκους κύματος πολλαπλών εξόδων, να μειώσει το κόστος κατασκευής του συστήματος και αποτελεί αναπόσπαστο μέρος του συστήματος ανίχνευσης οπτικών ινών. Για παράδειγμα, στην ανίχνευση ινών ιχνοστοιχείων, διαφορετικά είδη αερίων έχουν διαφορετικές κορυφές απορρόφησης αερίου. Προκειμένου να διασφαλιστεί η αποτελεσματικότητα απορρόφησης φωτός όταν το αέριο μέτρησης είναι επαρκές και να επιτευχθεί υψηλότερη ευαισθησία μέτρησης, είναι απαραίτητο να ευθυγραμμιστεί το μήκος κύματος της πηγής φωτός μετάδοσης με την κορυφή απορρόφησης του μορίου αερίου. Ο τύπος αερίου που μπορεί να ανιχνευθεί καθορίζεται ουσιαστικά από το μήκος κύματος της πηγής φωτός ανίχνευσης. Επομένως, τα λέιζερ στενού πλάτους γραμμής με σταθερή απόδοση συντονισμού ευρυζωνικής ζώνης έχουν μεγαλύτερη ευελιξία μέτρησης σε τέτοια συστήματα ανίχνευσης. Για παράδειγμα, σε ορισμένα κατανεμημένα συστήματα ανίχνευσης οπτικών ινών που βασίζονται στην ανάκλαση του οπτικού πεδίου συχνότητας, το λέιζερ πρέπει να σαρώνεται γρήγορα περιοδικά για να επιτευχθεί συνεκτική ανίχνευση και αποδιαμόρφωση υψηλής ακρίβειας οπτικών σημάτων, επομένως ο ρυθμός διαμόρφωσης της πηγής λέιζερ έχει σχετικά υψηλές απαιτήσεις και η ταχύτητα σάρωσης του ρυθμιζόμενου λέιζερ συνήθως απαιτείται να φτάσει τα 10 pm/μs. Επιπλέον, το λέιζερ στενού πλάτους γραμμής με δυνατότητα ρύθμισης μήκους κύματος μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ευρέως σε liDAR, τηλεπισκόπηση λέιζερ και φασματική ανάλυση υψηλής ανάλυσης και σε άλλους τομείς ανίχνευσης. Προκειμένου να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις των παραμέτρων υψηλής απόδοσης του εύρους ζώνης ρύθμισης, της ακρίβειας ρύθμισης και της ταχύτητας ρύθμισης των λέιζερ μονού μήκους κύματος στον τομέα της ανίχνευσης οπτικών ινών, ο γενικός στόχος της μελέτης των ρυθμιζόμενων λέιζερ στενού πλάτους οπτικών ινών τα τελευταία χρόνια είναι η επίτευξη υψηλής ακρίβειας ρύθμισης σε μεγαλύτερο εύρος μήκους κύματος με βάση την επιδίωξη εξαιρετικά στενού πλάτους γραμμής λέιζερ, εξαιρετικά χαμηλού θορύβου φάσης και εξαιρετικά σταθερής συχνότητας και ισχύος εξόδου.
1.3 Ζήτηση για πηγή λευκού φωτός λέιζερ
Στον τομέα της οπτικής ανίχνευσης, το λέιζερ λευκού φωτός υψηλής ποιότητας έχει μεγάλη σημασία για τη βελτίωση της απόδοσης του συστήματος. Όσο ευρύτερη είναι η κάλυψη του φάσματος του λέιζερ λευκού φωτός, τόσο πιο εκτεταμένη είναι η εφαρμογή του σε συστήματα ανίχνευσης οπτικών ινών. Για παράδειγμα, όταν χρησιμοποιείται πλέγμα Bragg ινών (FBG) για την κατασκευή ενός δικτύου αισθητήρων, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί φασματική ανάλυση ή μέθοδος αντιστοίχισης ρυθμιζόμενου φίλτρου για την αποδιαμόρφωση. Η πρώτη χρησιμοποίησε ένα φασματόμετρο για να ελέγξει απευθείας κάθε μήκος κύματος συντονισμού FBG στο δίκτυο. Η δεύτερη χρησιμοποιεί ένα φίλτρο αναφοράς για την παρακολούθηση και τη βαθμονόμηση του FBG στην ανίχνευση, και τα δύο απαιτούν μια πηγή φωτός ευρείας ζώνης ως πηγή φωτός δοκιμής για το FBG. Επειδή κάθε δίκτυο πρόσβασης FBG θα έχει μια συγκεκριμένη απώλεια εισαγωγής και έχει εύρος ζώνης μεγαλύτερο από 0,1 nm, η ταυτόχρονη αποδιαμόρφωση πολλαπλών FBG απαιτεί μια πηγή φωτός ευρείας ζώνης με υψηλή ισχύ και υψηλό εύρος ζώνης. Για παράδειγμα, όταν χρησιμοποιείται πλέγμα οπτικών ινών μακράς περιόδου (LPFG) για ανίχνευση, δεδομένου ότι το εύρος ζώνης μιας μοναδικής κορυφής απώλειας είναι της τάξης των 10 nm, απαιτείται μια πηγή φωτός ευρέος φάσματος με επαρκές εύρος ζώνης και σχετικά επίπεδο φάσμα για να χαρακτηρίσει με ακρίβεια τα χαρακτηριστικά της συντονισμένης κορυφής της. Συγκεκριμένα, το πλέγμα ακουστικών ινών (AIFG) που κατασκευάζεται με τη χρήση ακουστοοπτικού φαινομένου μπορεί να επιτύχει ένα εύρος συντονισμού μήκους κύματος συντονισμού έως και 1000 nm μέσω ηλεκτρικού συντονισμού. Επομένως, οι δοκιμές δυναμικού πλέγματος με ένα τόσο εξαιρετικά ευρύ εύρος συντονισμού αποτελούν μεγάλη πρόκληση για το εύρος ζώνης μιας πηγής φωτός ευρέος φάσματος. Ομοίως, τα τελευταία χρόνια, το κεκλιμένο πλέγμα οπτικών ινών Bragg έχει επίσης χρησιμοποιηθεί ευρέως στον τομέα της ανίχνευσης οπτικών ινών. Λόγω των χαρακτηριστικών του φάσματος απώλειας πολλαπλών κορυφών, το εύρος κατανομής μήκους κύματος μπορεί συνήθως να φτάσει τα 40 nm. Ο μηχανισμός ανίχνευσης είναι συνήθως η σύγκριση της σχετικής κίνησης μεταξύ πολλαπλών κορυφών μετάδοσης, επομένως είναι απαραίτητο να μετρηθεί πλήρως το φάσμα μετάδοσής του. Το εύρος ζώνης και η ισχύς της πηγής φωτός ευρέος φάσματος πρέπει να είναι υψηλότερα.
2. Ερευνητική κατάσταση στο εσωτερικό και στο εξωτερικό
2.1 Πηγή φωτός λέιζερ στενού πλάτους γραμμής
2.1.1 Λέιζερ κατανεμημένης ανάδρασης ημιαγωγού στενού πλάτους γραμμής
Το 2006, οι Cliche et al. μείωσαν την κλίμακα MHz των ημιαγωγώνΛέιζερ DFB(κατανεμημένης ανάδρασης λέιζερ) σε κλίμακα kHz χρησιμοποιώντας τη μέθοδο ηλεκτρικής ανάδρασης. Το 2011, οι Kessler et al. χρησιμοποίησαν μονοκρυσταλλική κοιλότητα χαμηλής θερμοκρασίας και υψηλής σταθερότητας σε συνδυασμό με ενεργό έλεγχο ανάδρασης για να επιτύχουν εξαιρετικά στενή έξοδο λέιζερ πλάτους γραμμής 40 MHz. Το 2013, οι Peng et al. έλαβαν μια έξοδο λέιζερ ημιαγωγών με πλάτος γραμμής 15 kHz χρησιμοποιώντας τη μέθοδο εξωτερικής ρύθμισης ανάδρασης Fabry-Perot (FP). Η μέθοδος ηλεκτρικής ανάδρασης χρησιμοποίησε κυρίως την ανάδραση σταθεροποίησης συχνότητας Pond-Drever-Hall για να μειώσει το πλάτος γραμμής λέιζερ της πηγής φωτός. Το 2010, οι Bernhardi et al. παρήγαγαν 1 cm FBG αλουμίνας με πρόσμιξη ερβίου σε υπόστρωμα οξειδίου του πυριτίου για να επιτύχουν έξοδο λέιζερ με πλάτος γραμμής περίπου 1,7 kHz. Την ίδια χρονιά, οι Liang et al. χρησιμοποίησε την αυτοέγχυση ανάδρασης της οπίσθιας σκέδασης Rayleigh που σχηματίζεται από έναν συντονιστή τοιχώματος ηχούς υψηλού Q για συμπίεση πλάτους γραμμής λέιζερ ημιαγωγών, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1, και τελικά έλαβε μια στενή έξοδο λέιζερ πλάτους γραμμής 160 Hz.
Σχήμα 1 (α) Διάγραμμα συμπίεσης πλάτους γραμμής λέιζερ ημιαγωγών με βάση τη σκέδαση Rayleigh αυτοέγχυσης εξωτερικού ψιθυριστικού συντονιστή λειτουργίας γκαλερί.
(β) Φάσμα συχνοτήτων του ελεύθερα κινούμενου ημιαγωγικού λέιζερ με πλάτος γραμμής 8 MHz.
(γ) Φάσμα συχνότητας του λέιζερ με πλάτος γραμμής συμπιεσμένο στα 160 Hz
2.1.2 Λέιζερ οπτικών ινών στενού πλάτους γραμμής
Για τα λέιζερ οπτικών ινών γραμμικής κοιλότητας, η έξοδος λέιζερ στενού πλάτους γραμμής μονής διαμήκους λειτουργίας επιτυγχάνεται με τη μείωση του μήκους του συντονιστή και την αύξηση του διαστήματος διαμήκους λειτουργίας. Το 2004, οι Spiegelberg et al. έλαβαν μια έξοδο λέιζερ στενού πλάτους γραμμής μονής διαμήκους λειτουργίας με πλάτος γραμμής 2 kHz χρησιμοποιώντας τη μέθοδο DBR short cavity. Το 2007, οι Shen et al. χρησιμοποίησαν μια ίνα πυριτίου 2 cm με έντονες προσμίξεις ερβίου για να γράψουν FBG σε μια φωτοευαίσθητη ίνα με συνένωση Bi-Ge και την σύντηξαν με μια ενεργή ίνα για να σχηματίσουν μια συμπαγή γραμμική κοιλότητα, καθιστώντας το πλάτος γραμμής εξόδου λέιζερ μικρότερο από 1 kHz. Το 2010, οι Yang et al. χρησιμοποίησαν μια 2 cm με έντονες προσμίξεις κοντής γραμμικής κοιλότητας σε συνδυασμό με ένα φίλτρο FBG στενής ζώνης για να λάβουν μια έξοδο λέιζερ μονής διαμήκους λειτουργίας με πλάτος γραμμής μικρότερο από 2 kHz. Το 2014, η ομάδα χρησιμοποίησε μια μικρή γραμμική κοιλότητα (εικονικός αναδιπλωμένος δακτύλιος συντονιστή) σε συνδυασμό με ένα φίλτρο FBG-FP για να λάβει μια έξοδο λέιζερ με στενότερο πλάτος γραμμής, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3. Το 2012, οι Cai et al. χρησιμοποίησαν μια δομή μικρής κοιλότητας 1,4 cm για να λάβουν μια πολωτική έξοδο λέιζερ με ισχύ εξόδου μεγαλύτερη από 114 mW, κεντρικό μήκος κύματος 1540,3 nm και πλάτος γραμμής 4,1 kHz. Το 2013, οι Meng et al. χρησιμοποίησαν σκέδαση Brillouin ίνας με πρόσμιξη ερβίου με μια μικρή κοιλότητα δακτυλίου μιας συσκευής πλήρους διατήρησης πόλωσης για να λάβουν μια έξοδο λέιζερ χαμηλού θορύβου μονοδιαμήκους τρόπου λειτουργίας με ισχύ εξόδου 10 mW. Το 2015, η ομάδα χρησιμοποίησε μια κοιλότητα δακτυλίου που αποτελείται από ίνα με πρόσμιξη ερβίου 45 cm ως μέσο κέρδους σκέδασης Brillouin για να λάβουν μια έξοδο λέιζερ χαμηλού κατωφλίου και στενού πλάτους γραμμής.
Σχήμα 2 (α) Σχηματικό σχέδιο του λέιζερ οπτικών ινών SLC.
(β) Γραμμικό σχήμα του ετερόδυνου σήματος που μετρήθηκε με καθυστέρηση οπτικής ίνας 97,6 km
Ώρα δημοσίευσης: 20 Νοεμβρίου 2023