Τεχνολογία πηγής λέιζερ γιαοπτική ίναανιχνεύοντας 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, αισθητήριο στοιχείο 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 μπορεί να αλλάξουν από εξωτερικές επιδράσεις στη μετάδοση οπτικών ινών. Για παράδειγμα, όταν η θερμοκρασία, η καταπόνηση, 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 των εξωτερικών παραγόντων για την ανίχνευση των αντίστοιχων φυσικών μεγεθών.
Υπάρχουν πολλά είδηπηγή λέιζερχρησιμοποιείται σε συστήματα ανίχνευσης οπτικών ινών, τα οποία μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες: συνεκτικάπηγές λέιζερκαι ασυνάρτητες πηγές φωτός, ασυνάρτητεςπηγές φωτόςπεριλαμβάνουν κυρίως διόδους πυρακτώσεως φωτός και εκπομπής φωτός και οι συνεκτικές πηγές φωτός περιλαμβάνουν στερεά λέιζερ, υγρά λέιζερ, λέιζερ αερίου,λέιζερ ημιαγωγώνκαιλέιζερ ινών. Το παρακάτω είναι κυρίως για τοπηγή φωτός λέιζερχρησιμοποιείται ευρέως στον τομέα της ανίχνευσης ινών τα τελευταία χρόνια: λέιζερ μονής συχνότητας στενού πλάτους γραμμής, 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 φορέα σήματος, η ίδια η απόδοση 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, ανίχνευση η ακρίβεια, η ευαισθησία και τα χαρακτηριστικά θορύβου παίζουν καθοριστικό ρόλο. Τα τελευταία χρόνια, με την ανάπτυξη συστημάτων ανίχνευσης οπτικών ινών υπερυψηλής ανάλυσης σε μεγάλες αποστάσεις, ο ακαδημαϊκός κόσμος και η βιομηχανία έχουν προτείνει πιο αυστηρές απαιτήσεις για την απόδοση εύρους γραμμής της σμίκρυνσης με λέιζερ, κυρίως σε: τεχνολογία οπτικής ανάκλασης τομέα συχνότητας (OFDR) χρησιμοποιεί συνεκτικές τεχνολογία ανίχνευσης για την ανάλυση των διάσπαρτων σημάτων οπτικών ινών στον τομέα συχνοτήτων, με ευρεία κάλυψη (χιλιάδες μέτρα). Τα πλεονεκτήματα της υψηλής ανάλυσης (ανάλυση σε επίπεδο χιλιοστών) και της υψηλής ευαισθησίας (έως -100 dBm) έχουν γίνει μια από τις τεχνολογίες με ευρείες προοπτικές εφαρμογής στην τεχνολογία μέτρησης και ανίχνευσης κατανεμημένων οπτικών ινών. Ο πυρήνας της τεχνολογίας OFDR είναι η χρήση ρυθμίσιμης πηγής φωτός για την επίτευξη συντονισμού οπτικής συχνότητας, επομένως η απόδοση της πηγής λέιζερ καθορίζει τους 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 κτυπήματος θα εξασθενεί εκθετικά από τον συντελεστή τ/τc. Για μια πηγή φωτός Gauss με φασματικό σχήμα, προκειμένου να διασφαλιστεί ότι η συχνότητα παλμού έχει ορατότητα μεγαλύτερη από 90%, η σχέση μεταξύ του πλάτους γραμμής της φωτεινής πηγής και του μέγιστου μήκους ανίχνευσης που μπορεί να επιτύχει το σύστημα είναι Lmax~0,04vg /f, που σημαίνει ότι για μια ίνα με μήκος 80 km, το πλάτος γραμμής της φωτεινής πηγής είναι μικρότερο από 100 Hz. Επιπλέον, η ανάπτυξη άλλων εφαρμογών έθεσε επίσης υψηλότερες απαιτήσεις για το πλάτος γραμμής της πηγής φωτός. Για παράδειγμα, στο σύστημα υδρόφωνου οπτικών ινών, το πλάτος γραμμής της φωτεινής πηγής καθορίζει τον θόρυβο του συστήματος και επίσης καθορίζει το ελάχιστο μετρήσιμο σήμα του συστήματος. Στον ανακλαστήρα οπτικού πεδίου χρόνου Brillouin (BOTDR), η ανάλυση μέτρησης της θερμοκρασίας και της τάσης καθορίζεται κυρίως από το πλάτος γραμμής της πηγής φωτός. Σε ένα γυροσκόπιο οπτικών ινών αντηχείου, το μήκος συνοχής του φωτεινού κύματος μπορεί να αυξηθεί μειώνοντας το πλάτος γραμμής της φωτεινής πηγής, βελτιώνοντας έτσι τη λεπτότητα και το βάθος συντονισμού του αντηχείου, μειώνοντας το πλάτος γραμμής του αντηχείου και διασφαλίζοντας τη μέτρηση ακρίβεια του γυροσκοπίου οπτικών ινών.
1.2 Απαιτήσεις για πηγές λέιζερ σάρωσης
Το λέιζερ σάρωσης ενός μήκους κύματος έχει ευέλικτη απόδοση συντονισμού μήκους κύματος, μπορεί να αντικαταστήσει πολλαπλά λέιζερ σταθερού μήκους κύματος εξόδου, να μειώσει το κόστος κατασκευής του συστήματος, είναι απαραίτητο μέρος του συστήματος ανίχνευσης οπτικών ινών. Για παράδειγμα, στην ανίχνευση ινών αερίου ίχνους, διαφορετικά είδη αερίων έχουν διαφορετικές κορυφές απορρόφησης αερίων. Προκειμένου να διασφαλιστεί η απόδοση απορρόφησης φωτός όταν το αέριο μέτρησης είναι επαρκές και να επιτευχθεί υψηλότερη ευαισθησία μέτρησης, είναι απαραίτητο να ευθυγραμμιστεί το μήκος κύματος της φωτεινής πηγής μετάδοσης με την κορυφή απορρόφησης του μορίου αερίου. Ο τύπος του αερίου που μπορεί να ανιχνευθεί ουσιαστικά καθορίζεται από το μήκος κύματος της αισθητήριας πηγής φωτός. Επομένως, τα λέιζερ στενού εύρους γραμμής με σταθερή απόδοση συντονισμού ευρείας ζώνης έχουν μεγαλύτερη ευελιξία μέτρησης σε τέτοια συστήματα ανίχνευσης. Για παράδειγμα, σε ορισμένα κατανεμημένα συστήματα ανίχνευσης οπτικών ινών που βασίζονται στην ανάκλαση πεδίου οπτικής συχνότητας, το λέιζερ πρέπει να σαρώνεται ταχέως περιοδικά για να επιτευχθεί συνεκτική ανίχνευση και αποδιαμόρφωση οπτικών σημάτων υψηλής ακρίβειας, επομένως ο ρυθμός διαμόρφωσης της πηγής λέιζερ έχει σχετικά υψηλές απαιτήσεις , και η ταχύτητα σάρωσης του ρυθμιζόμενου λέιζερ συνήθως απαιτείται για να φτάσει τα 10 pm/μs. Επιπλέον, το λέιζερ στενού εύρους γραμμής με δυνατότητα συντονισμού μήκους κύματος μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ευρέως στο liDAR, στην τηλεπισκόπηση με λέιζερ και στη φασματική ανάλυση υψηλής ανάλυσης και σε άλλα πεδία ανίχνευσης. Προκειμένου να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις των παραμέτρων υψηλής απόδοσης του εύρους ζώνης συντονισμού, της ακρίβειας συντονισμού και της ταχύτητας συντονισμού των λέιζερ μονού μήκους κύματος στον τομέα της ανίχνευσης ινών, ο γενικός στόχος της μελέτης συντονίσιμα λέιζερ στενού πλάτους ινών τα τελευταία χρόνια είναι η επίτευξη υψηλών συντονισμός ακριβείας σε μεγαλύτερο εύρος μήκους κύματος με βάση την επιδίωξη εξαιρετικά στενού εύρους γραμμής λέιζερ, εξαιρετικά χαμηλού θορύβου φάσης και εξαιρετικά σταθερής συχνότητας και ισχύος εξόδου.
1.3 Απαίτηση για λευκή πηγή 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 στο σύστημα ανίχνευσης οπτικών ινών. Για παράδειγμα, όταν χρησιμοποιείται πλέγμα Bragg ινών (FBG) για την κατασκευή ενός δικτύου αισθητήρων, η φασματική ανάλυση ή η μέθοδος αντιστοίχισης φίλτρου με δυνατότητα συντονισμού θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για αποδιαμόρφωση. Ο πρώτος χρησιμοποίησε ένα φασματόμετρο για να δοκιμάσει απευθείας κάθε μήκος κύματος συντονισμού FBG στο δίκτυο. Το τελευταίο χρησιμοποιεί ένα φίλτρο αναφοράς για την παρακολούθηση και τη βαθμονόμηση του FBG στην ανίχνευση, τα οποία απαιτούν μια ευρυζωνική πηγή φωτός ως δοκιμαστική πηγή φωτός για το FBG. Επειδή κάθε δίκτυο πρόσβασης FBG θα έχει μια ορισμένη απώλεια εισαγωγής και έχει εύρος ζώνης μεγαλύτερο από 0,1 nm, η ταυτόχρονη αποδιαμόρφωση πολλαπλών FBG απαιτεί μια ευρυζωνική πηγή φωτός με υψηλή ισχύ και υψηλό εύρος ζώνης. Για παράδειγμα, όταν χρησιμοποιείται πλέγμα ινών μακράς περιόδου (LPFG) για ανίχνευση, δεδομένου ότι το εύρος ζώνης μιας μοναδικής αιχμής απώλειας είναι της τάξης των 10 nm, απαιτείται μια πηγή φωτός ευρέος φάσματος με επαρκές εύρος ζώνης και σχετικά επίπεδο φάσμα για τον ακριβή χαρακτηρισμό του συντονισμού της. χαρακτηριστικά κορυφής. Συγκεκριμένα, το πλέγμα ακουστικών ινών (AIFG) που κατασκευάζεται με τη χρήση ακουστικο-οπτικής επίδρασης μπορεί να επιτύχει ένα εύρος συντονισμού μήκους κύματος συντονισμού έως και 1000 nm μέσω ηλεκτρικού συντονισμού. Ως εκ τούτου, η δυναμική δοκιμή πλέγματος με ένα τόσο μεγάλο εύρος συντονισμού αποτελεί μεγάλη πρόκληση για το εύρος εύρους ζώνης μιας πηγής φωτός ευρέος φάσματος. Ομοίως, τα τελευταία χρόνια, η σχάρα ινών Bragg με κλίση έχει επίσης χρησιμοποιηθεί ευρέως στον τομέα της ανίχνευσης ινών. Λόγω των χαρακτηριστικών του φάσματος απώλειας πολλαπλών αιχμών, το εύρος κατανομής μήκους κύματος μπορεί συνήθως να φτάσει τα 40 nm. Ο μηχανισμός αίσθησης του είναι συνήθως να συγκρίνει τη σχετική κίνηση μεταξύ πολλαπλών κορυφών μετάδοσης, επομένως είναι απαραίτητο να μετρηθεί πλήρως το φάσμα μετάδοσης του. Το εύρος ζώνης και η ισχύς της πηγής φωτός ευρέος φάσματος απαιτείται να είναι υψηλότερα.
2. Ερευνητική κατάσταση στο εσωτερικό και στο εξωτερικό
2.1 Πηγή φωτός λέιζερ στενού πλάτους γραμμής
2.1.1 Κατανεμημένο λέιζερ ανάδρασης με ημιαγωγό στενού πλάτους γραμμής
Το 2006, οι Cliche et al. μείωσε την κλίμακα MHz του ημιαγωγούΛέιζερ DFB(κατανεμημένο λέιζερ ανάδρασης) σε κλίμακα kHz χρησιμοποιώντας τη μέθοδο ηλεκτρικής ανάδρασης. Το 2011, οι Kessler et al. χρησιμοποίησε χαμηλή θερμοκρασία και υψηλής σταθερότητας μονοκρυσταλλική κοιλότητα σε συνδυασμό με ενεργό έλεγχο ανάδρασης για την απόκτηση εξόδου λέιζερ εξαιρετικά στενού εύρους γραμμής 40 MHz. Το 2013, οι Peng et al απέκτησαν μια έξοδο λέιζερ ημιαγωγών με πλάτος γραμμής 15 kHz χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της εξωτερικής προσαρμογής ανάδρασης Fabry-Perot (FP). Η μέθοδος ηλεκτρικής ανάδρασης χρησιμοποιούσε κυρίως την ανάδραση σταθεροποίησης συχνότητας Pond-Drever-Hall για να μειωθεί το πλάτος γραμμής λέιζερ της πηγής φωτός. Το 2010, οι Bernhardi et al. παρήγαγε 1 cm αλουμίνας με πρόσμειξη με έρβιο FBG σε υπόστρωμα οξειδίου του πυριτίου για να ληφθεί έξοδος λέιζερ με πλάτος γραμμής περίπου 1,7 kHz. Την ίδια χρονιά, οι Liang et al. χρησιμοποίησε την ανάδραση αυτόματης έγχυσης της οπισθοδρομικής σκέδασης Rayleigh που σχηματίστηκε από έναν αντηχείο τοίχου ηχούς υψηλής Q για συμπίεση πλάτους γραμμής λέιζερ ημιαγωγών, όπως φαίνεται στο σχήμα 1, και τελικά έλαβε έξοδο λέιζερ στενού πλάτους γραμμής 160 Hz.
Σχ. 1 (α) Διάγραμμα συμπίεσης πλάτους γραμμής λέιζερ ημιαγωγών με βάση τη σκέδαση Rayleigh αυτο-έγχυσης του εξωτερικού συντονιστή λειτουργίας γκαλερί ψιθυριστή.
(β) Φάσμα συχνότητας του λέιζερ ημιαγωγών ελεύθερης λειτουργίας με πλάτος γραμμής 8 MHz.
(γ) Φάσμα συχνότητας του λέιζερ με εύρος γραμμής συμπιεσμένο στα 160 Hz
2.1.2 Λέιζερ ινών στενού εύρους γραμμής
Για λέιζερ γραμμικών ινών κοιλότητας, η έξοδος λέιζερ στενού πλάτους γραμμής της απλής διαμήκους λειτουργίας επιτυγχάνεται με τη συντόμευση του μήκους του συντονιστή και την αύξηση του διαμήκους διαστήματος λειτουργίας. Το 2004, οι Spiegelberg et al. έλαβε μια έξοδο λέιζερ στενού εύρους γραμμής μονής διαμήκους λειτουργίας με πλάτος γραμμής 2 kHz χρησιμοποιώντας τη μέθοδο DBR μικρής κοιλότητας. Το 2007, οι Shen et al. χρησιμοποίησε μια ίνα πυριτίου με βαριά πρόσμειξη με έρβιο 2 cm για να γράψει FBG σε φωτοευαίσθητη ίνα με συμπαραγωγή Bi-Ge και τη σύντηξε με μια ενεργή ίνα για να σχηματίσει μια συμπαγή γραμμική κοιλότητα, καθιστώντας το πλάτος της γραμμής εξόδου λέιζερ μικρότερο από 1 kHz. Το 2010, οι Yang et al. χρησιμοποίησε μια κοντή γραμμική κοιλότητα 2 εκατοστών υψηλής πρόσμιξης σε συνδυασμό με ένα φίλτρο FBG στενής ζώνης για να αποκτήσει μια έξοδο λέιζερ μονής διαμήκους λειτουργίας με πλάτος γραμμής μικρότερο από 2 kHz. Το 2014, η ομάδα χρησιμοποίησε μια μικρή γραμμική κοιλότητα (εικονικό αντηχείο διπλωμένου δακτυλίου) σε συνδυασμό με ένα φίλτρο FBG-FP για να αποκτήσει έξοδο λέιζερ με στενότερο πλάτος γραμμής, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3. Το 2012, οι Cai et al. χρησιμοποίησε μια δομή κοντής κοιλότητας 1,4 εκατοστών για να αποκτήσει 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. χρησιμοποίησε σκέδαση Brillouin ίνας εμποτισμένης με έρβιο με μια κοντή κοιλότητα δακτυλίου μιας συσκευής διατήρησης πλήρους προκατάληψης για να αποκτήσει έξοδο λέιζερ μονής διαμήκους λειτουργίας, χαμηλής φάσης θορύβου με ισχύ εξόδου 10 mW. Το 2015, η ομάδα χρησιμοποίησε μια κοιλότητα δακτυλίου αποτελούμενη από ίνα με πρόσμειξη με έρβιο 45 cm ως μέσο κέρδους σκέδασης Brillouin για να αποκτήσει έξοδο λέιζερ χαμηλού κατωφλίου και στενού εύρους γραμμής.
Σχ. 2 (α) Σχηματικό σχέδιο του λέιζερ ινών SLC.
(β) Γραμμικό σχήμα του ετεροδύναμου σήματος μετρημένο με καθυστέρηση ίνας 97,6 km
Ώρα δημοσίευσης: Νοε-20-2023