Τεχνολογία πηγής λέιζερ γιαοπτική ίναανίχνευση του πρώτου
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, ίνες μετάδοσης, στοιχείο ανίχνευσης ή περιοχή διαμόρφωσης, ανίχνευση φωτός και άλλα μέρη. Οι παράμετροι που περιγράφουν τα χαρακτηριστικά του φωτεινού κύματος περιλαμβάνουν ένταση, μήκος κύματος, φάση, κατάσταση πόλωσης κλπ. Αυτές οι παράμετροι μπορούν να αλλάξουν με εξωτερικές επιδράσεις στη μετάδοση οπτικών ινών. Για παράδειγμα, όταν η θερμοκρασία, η πίεση, η πίεση, το ρεύμα, η μετατόπιση, η δόνηση, η περιστροφή, η κάμψη και η χημική ποσότητα επηρεάζουν την οπτική διαδρομή, αυτές οι παράμετροι μεταβάλλονται αντίστοιχα. Η ανίχνευση οπτικών ινών βασίζεται στη σχέση μεταξύ αυτών των παραμέτρων και των εξωτερικών παραγόντων για την ανίχνευση των αντίστοιχων φυσικών ποσοτήτων.
Υπάρχουν πολλοί τύποιπηγή λέιζερχρησιμοποιούνται σε συστήματα ανίχνευσης οπτικών ινών, τα οποία μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες: συνεκτικάπηγές λέιζερκαι ασυνάρτητες πηγές φωτός, ασυνάρτητεςπηγές φωτόςπεριλαμβάνουν κυρίως διόδους φωτός και εκπομπής φωτός και συνεκτικές πηγές φωτός περιλαμβάνουν συμπαγή λέιζερ, υγρά λέιζερ, λέιζερ αερίου,ημιαγωγός λέιζερκαιλέιζερ ινών. Τα παρακάτω είναι κυρίως για τοπηγή φωτός λέιζερΧρησιμοποιείται ευρέως στο πεδίο της ανίχνευσης ινών τα τελευταία χρόνια: Λέιζερ Συχνότητας Συχνότητας Συχνότητας Σκηνής και Λευκό Λέιζερ Συχνότητας Σκηνής και Λευκό Λέιζερ.
1.1 Απαιτήσεις για στενό γραμμικό εύροςπηγές φωτός λέιζερ
Το σύστημα ανίχνευσης οπτικών ινών δεν μπορεί να διαχωριστεί από την πηγή λέιζερ, καθώς το μετρημένο κύμα φωτός φορέα σήματος, η ίδια η απόδοση της πηγής φωτός λέιζερ, όπως η σταθερότητα ισχύος, το εύρος γραμμής λέιζερ, ο θόρυβος φάσης και άλλες παραμέτρους στην απόσταση ανίχνευσης του συστήματος ανίχνευσης οπτικών ινών. Τα τελευταία χρόνια, με την ανάπτυξη συστημάτων οπτικής ανίχνευσης οπτικών ινών μεγάλης απόστασης, η ακαδημαϊκή βιομηχανία και η βιομηχανία έχουν παρουσιάσει πιο αυστηρές απαιτήσεις για την απόδοση γραμμής της μικροσκοπίας λέιζερ, κυρίως σε: thiles-leads). Τα πλεονεκτήματα της υψηλής ανάλυσης (ανάλυση σε επίπεδο χιλιομέτρου) και η υψηλή ευαισθησία (έως και -100 dBM) έχουν γίνει μία από τις τεχνολογίες με ευρείες προοπτικές εφαρμογής στην κατανεμημένη τεχνολογία μέτρησης οπτικών ινών και ανίχνευσης. Ο πυρήνας της τεχνολογίας OFDR είναι να χρησιμοποιηθεί η συντονισμένη πηγή φωτός για την επίτευξη οπτικής συντονισμού συχνότητας, οπότε η απόδοση της πηγής λέιζερ καθορίζει τους βασικούς παράγοντες όπως το εύρος ανίχνευσης OFDR, την ευαισθησία και την ανάλυση. Όταν η απόσταση του σημείου αντανάκλασης είναι κοντά στο μήκος της συνοχής, η ένταση του σήματος Beat θα εξασθενίσει εκθετικά από τον συντελεστή τ/τc. Για μια Gaussian πηγή φωτός με φασματικό σχήμα, προκειμένου να διασφαλιστεί ότι η συχνότητα Beat έχει πάνω από 90% ορατότητα, 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 με μήκος 80 km, το πλάτος γραμμής της πηγής φωτός είναι μικρότερο από 100 Hz. Επιπλέον, η ανάπτυξη άλλων εφαρμογών παρουσίασε επίσης υψηλότερες απαιτήσεις για το γραμμικό εύρος της πηγής φωτός. Για παράδειγμα, στο σύστημα οπτικών ινών, το γραμμικό εύρος της πηγής φωτός καθορίζει τον θόρυβο του συστήματος και καθορίζει επίσης το ελάχιστο μετρήσιμο σήμα του συστήματος. Στον ανακλαστήρα του οπτικού χρόνου του Brillouin (BOTDR), η ανάλυση μέτρησης της θερμοκρασίας και του στρες καθορίζεται κυρίως από το γραμμικό εύρος της πηγής φωτός. Σε ένα γυροσκοπικό οπτικό οπτικό από τον συντονιστή, το μήκος της συνοχής του φωτεινού κύματος μπορεί να αυξηθεί μειώνοντας το πλάτος της γραμμής της πηγής φωτός, βελτιώνοντας έτσι το βάθος της λεπτότητας και του συντονισμού του συντονιστή, μειώνοντας το πλάτος της γραμμής του συντονιστή και εξασφαλίζοντας την ακρίβεια μέτρησης της οπτικής οπτικής ίνας.
1.2 Απαιτήσεις για πηγές λέιζερ σάρωσης
Το λέιζερ σάρωσης ενός μήκους κύματος έχει εύκαμπτη απόδοση ρύθμισης μήκους κύματος, μπορεί να αντικαταστήσει τα πολλαπλά Lasers σταθερού μήκους κύματος, να μειώσει το κόστος κατασκευής του συστήματος, είναι ένα απαραίτητο μέρος του συστήματος ανίχνευσης οπτικών ινών. Για παράδειγμα, στην ανίχνευση ινών αέρια ιχνοστοιχείων, διαφορετικά είδη αερίων έχουν διαφορετικές κορυφές απορρόφησης αερίου. 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 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 στενά λέιζερ γραμμής με σταθερή απόδοση συντονισμού ευρυζωνικών συνδέσεων έχουν υψηλότερη ευελιξία μέτρησης σε τέτοια συστήματα ανίχνευσης. Για παράδειγμα, σε ορισμένα κατανεμημένα συστήματα ανίχνευσης οπτικών ινών που βασίζονται στην αντανάκλαση του τομέα οπτικής συχνοτήτων, το λέιζερ πρέπει να σαρώνεται ταχέως περιοδικά για να επιτευχθεί η ανίχνευση και η αποδιαμόρφωση των οπτικών σημάτων υψηλής ακρίβειας. Επιπλέον, το συντονισμένο στενό λέιζερ γραμμής μήκους κύματος μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ευρέως σε φασματική ανάλυση LIDAR, τηλεπισκόπησης λέιζερ και φασματικής ανάλυσης υψηλής ανάλυσης και άλλα πεδία ανίχνευσης. Προκειμένου να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις των παραμέτρων υψηλής απόδοσης του εύρους ζώνης ρύθμισης, η ακρίβεια συντονισμού και η ταχύτητα συντονισμού των λέιζερ μήκους ενός κύματος στο πεδίο της ανίχνευσης ινών, ο συνολικός στόχος της μελετώντας τα συντονισμένα περιβλήματα στενής πλύσης τα τελευταία χρόνια είναι η επίτευξη συντονισμού υψηλής περιεκτικότητας σε ένα μεγαλύτερο εύρος κύματος σε βάση την επιδίωξη του Ultra-Narrow Linewidth.
1.3 Ζήτηση για λευκή πηγή φωτός λέιζερ
Στο πεδίο της οπτικής ανίχνευσης, το Λευκό Λιμάνι υψηλής ποιότητας έχει μεγάλη σημασία για να βελτιώσει την απόδοση 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 χρησιμοποιείτε το πλέγμα Fiber Bragg (FBG) για την κατασκευή ενός δικτύου αισθητήρων, φασματικής ανάλυσης ή μέθοδος αντιστοίχισης φίλτρου, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη 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, και οι δύο απαιτούν μια ευρυζωνική πηγή φωτός ως πηγή φωτός δοκιμής για το FBG. Επειδή κάθε δίκτυο πρόσβασης FBG θα έχει ορισμένη απώλεια εισαγωγής και έχει ένα εύρος ζώνης άνω των 0,1 nm, η ταυτόχρονη αποδιαμόρφωση πολλαπλών FBG απαιτεί ευρυζωνική πηγή φωτός με υψηλή ισχύ και υψηλό εύρος ζώνης. Για παράδειγμα, όταν χρησιμοποιείτε πλέγμα ινών μακράς περιόδου (LPFG) για ανίχνευση, αφού το εύρος ζώνης μιας μόνο αιχμής απώλειας είναι της τάξης των 10 nm, απαιτείται μια ευρεία πηγή φωτός με επαρκές εύρος ζώνης και σχετικά επίπεδη φάσμα για να χαρακτηρίσει με ακρίβεια τα συντονιστικά χαρακτηριστικά του. Συγκεκριμένα, το πλέγμα ακουστικών ινών (AIFG) που κατασκευάστηκε με τη χρήση ακουστικής-οπτικής επίδρασης μπορεί να επιτύχει ένα εύρος συντονισμού μήκους κύματος έως 1000 nm μέσω ηλεκτρικού συντονισμού. Ως εκ τούτου, η δυναμική δοκιμή πλέγματος με μια τέτοια εξαιρετικά ευρύτατη περιοχή συντονισμού αποτελεί μεγάλη πρόκληση για το εύρος εύρους ζώνης μιας πηγής φωτός ευρείας φάσματος. Ομοίως, τα τελευταία χρόνια, το Tilted Bragg Fiber rating έχει επίσης χρησιμοποιηθεί ευρέως στον τομέα της ανίχνευσης ινών. Λόγω των χαρακτηριστικών του φάσματος απώλειας πολλαπλών κορυφών, το εύρος διανομής μήκους κύματος μπορεί συνήθως να φτάσει τα 40 nm. Ο μηχανισμός ανίχνευσης είναι συνήθως να συγκρίνει τη σχετική κίνηση μεταξύ των πολλαπλών κορυφών της μετάδοσης, οπότε είναι απαραίτητο να μετρηθεί πλήρως το φάσμα μετάδοσης του. Το εύρος ζώνης και η ισχύς της πηγής φωτός φάσματος πρέπει να είναι υψηλότερα.
2. Κατάσταση έρευνας στο εσωτερικό και στο εξωτερικό
2.1 Πηγή φωτός λέιζερ στενής γραμμής
2.1.1 Στεγαστικό Semiconductor Distributed Feedback Laser Distributed Laser
Το 2006, οι Cliche et αϊ. Μειώθηκε η κλίμακα MHz του ημιαγωγούΛέιζερ DFB(κατανεμημένο λέιζερ ανατροφοδότησης) σε κλίμακα KHz χρησιμοποιώντας μέθοδο ηλεκτρικής ανάδρασης. Το 2011, οι Kessler et al. Χρησιμοποιείται χαμηλής θερμοκρασίας και υψηλή σταθερότητα μονή κρυσταλλική κοιλότητα σε συνδυασμό με ενεργό έλεγχο ανάδρασης για να αποκτηθεί έξοδος λέιζερ υπερ-μηδενικής γραμμής 40 MHz. Το 2013, οι Peng et al έλαβαν έξοδο λέιζερ ημιαγωγού με ένα γραμμικό εύρος 15 kHz χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της ρύθμισης ανάδρασης εξωτερικού Fabry-Perot (FP). Η μέθοδος ηλεκτρικής ανάδρασης χρησιμοποίησε κυρίως την ανατροφοδότηση σταθεροποίησης συχνότητας λίμνης-drever-hall για να μειωθεί το γραμμικό εύρος λέιζερ της πηγής φωτός. Το 2010, οι Bernhardi et al. παρήγαγε 1 cm alumina-dopium alumina 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 ανατροφοδότηση αυτο-ένεσης της οπίσθιας σκέδασης Rayleigh που σχηματίζεται από έναν συντονιστή τοιχώματος υψηλής Qecho για συμπίεση πλάτους με λέιζερ ημιαγωγού, όπως φαίνεται στο σχήμα 1 και έλαβε τελικά μια στενή έξοδο λέιζερ πλάτους γραμμής 160 Hz.
Σχήμα 1 (α) Διάγραμμα συμπίεσης γραμμής Laser Semiconductor με βάση την αυτο-ένεση Rayleigh διασκορπισμό του εξωτερικού συντονισμού της γκαλερί Whispering Gallery.
(β) φάσμα συχνοτήτων του ελεύθερου λέιζερ ημιαγωγού με 6 MHz.
(γ) Φάσμα συχνοτήτων του λέιζερ με γραμμικό εύρος συμπιεσμένο σε 160 Hz
2.1.2 Λέιζερ ινών στενής γραμμής
Για τα γραμμικά λέιζερ ινών κοιλοτήτων, η στενή έξοδος λέιζερ γραμμής του μεμονωμένου διαμήκους τρόπου επιτυγχάνεται με τη συντόμευση του μήκους του συντονιστή και την αύξηση του διαμήκους διαστήματος του τρόπου λειτουργίας. Το 2004, οι Spiegelberg et αϊ. έλαβε μία μοναδική διαμήκης λειτουργία στενής έκδοσης λέιζερ γραμμής με ένα γραμμικό εύρος 2 kHz χρησιμοποιώντας τη μέθοδο σύντομης κοιλότητας DBR. Το 2007, οι Shen et αϊ. χρησιμοποίησε μια ίνα πυριτίου που έχει υποστεί βαριά 2 cm για να γράψει FBG σε μια φωτοευαισθητική ίνα με συν-doped-doped και τη συγχώρισε με μια ενεργή ίνα για να σχηματίσει μια συμπαγής γραμμική κοιλότητα, καθιστώντας το πλάτος εξόδου λέιζερ μικρότερη από 1 kHz. Το 2010, οι Yang et al. Χρησιμοποιήθηκε μια βραχυπρόθεσμη κοιλότητα με υψηλή περιεκτικότητα σε 2cm σε συνδυασμό με ένα φίλτρο FBG στενής ζώνης για να αποκτήσει μία έξοδο λέιζερ διαμήκης λειτουργίας με πλάτος γραμμής μικρότερο από 2 kHz. Το 2014, η ομάδα χρησιμοποίησε μια σύντομη γραμμική κοιλότητα (εικονικός αναδιπλωμένος δακτύλιος) σε συνδυασμό με ένα φίλτρο FBG-FP για να αποκτήσει μια έξοδο λέιζερ με στενότερο πλάτος γραμμής, όπως φαίνεται στο σχήμα 3 το 2012, Cai et al. χρησιμοποίησε μια σύντομη δομή 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. Χρησιμοποιήθηκε διασκορπισμό Brillouin της ουσίας με έμφυτο με σέρβιο με μια κοιλότητα μικρού δακτυλίου μιας συσκευής διατήρησης πλήρους προκατάληψης για να αποκτήσει μια μονή μακροχρόνια λειτουργία, έξοδο θορύβου χαμηλής φάσης με ισχύ εξόδου 10 MW. Το 2015, η ομάδα χρησιμοποίησε μια κοιλότητα δακτυλίου που αποτελείται από 45 cm ίνα με έμφυτο με σέρβιο ως μέσου κέρδους Brillouin για να αποκτήσει ένα χαμηλό κατώφλι και στενή έξοδο λέιζερ γραμμής.
Εικ. 2 (α) Σχηματικό σχέδιο του λέιζερ ινών SLC.
(β) Lineshape του σήματος Heterodyne που μετρήθηκε με καθυστέρηση ινών 97,6 km
Χρόνος δημοσίευσης: Νοέμβριος-20-2023