Tecnología de fuente láser parafibra ópticadetectando parte uno
La tecnología de detección de fibra óptica es un tipo de tecnología de detección desarrollada junto con la tecnología de fibra óptica y la tecnología de comunicación de fibra óptica, y se ha convertido en una de las ramas más activas de la tecnología fotoeléctrica. El sistema de detección de fibra óptica se compone principalmente de láser, fibra de transmisión, elemento de detección o área de modulación, detección de luz y otras partes. Los parámetros que describen las características de la onda de luz incluyen intensidad, longitud de onda, fase, estado de polarización, etc. Estos parámetros pueden cambiarse por influencias externas en la transmisión de fibra óptica. Por ejemplo, cuando la temperatura, la tensión, la presión, la corriente, el desplazamiento, la vibración, la rotación, la flexión y la cantidad química afectan la ruta óptica, estos parámetros cambian correspondientemente. La detección de fibra óptica se basa en la relación entre estos parámetros y los factores externos para detectar las cantidades físicas correspondientes.
Hay muchos tipos defuente láserutilizado en sistemas de detección de fibra óptica, que se pueden dividir en dos categorías: coherentefuentes lásery fuentes de luz incoherentes, incoherentesfuentes de luzIncluye principalmente diodos de luz incandescente y emisores de luz, y las fuentes de luz coherentes incluyen láseres sólidos, láseres líquidos, láseres de gas,láser semiconductoryláser de fibra. Lo siguiente es principalmente para elfuente de luz láserampliamente utilizado en el campo de la detección de fibra en los últimos años: láser de frecuencia de ancho de línea estrecha, láser de frecuencia de barrido de longitud de onda única y láser blanco.
1.1 Requisitos para el ancho de línea estrechoFuentes de luz láser
El sistema de detección de fibra óptica no se puede separar de la fuente del láser, ya que la onda de luz del portador de señal medida, el rendimiento de la fuente de luz láser en sí, como la estabilidad de la alimentación, el ancho de línea láser, el ruido de fase y otros parámetros en la distancia de detección del sistema de detección de fibra óptica, precisión de detección, sensibilidad y características de ruido juegan un papel decisivo. En los últimos años, con el desarrollo de los sistemas de detección de fibra óptica de óptica de larga distancia a larga distancia, la academia y la industria han presentado requisitos más estrictos para el rendimiento de ancho de línea de la miniaturización láser, principalmente en: la tecnología de reflexión de dominio de frecuencia óptica (OFDR) utiliza la tecnología de detección coherente para analizar el breve de los fantásticos de los fantos de la frecuencia en el dominio de la frecuencia de la frecuencia de los óptimos de los fantos de la frecuencia. metros). Las ventajas de alta resolución (resolución a nivel de milímetro) y alta sensibilidad (hasta -100 dBm) se han convertido en una de las tecnologías con amplias perspectivas de aplicaciones en la tecnología de medición y detección de fibra óptica distribuida. El núcleo de la tecnología OFDR es utilizar una fuente de luz sintonizable para lograr un ajuste de frecuencia óptica, por lo que el rendimiento de la fuente láser determina los factores clave como el rango de detección de OFDR, la sensibilidad y la resolución. Cuando la distancia del punto de reflexión está cerca de la longitud de coherencia, la intensidad de la señal de latido se atenuará exponencialmente por el coeficiente τ/τc. Para una fuente de luz gaussiana con una forma espectral, para garantizar que la frecuencia del latido tenga más del 90% de visibilidad, la relación entre el ancho de línea de la fuente de luz y la longitud de detección máxima que el sistema puede lograr LMAX ~ 0.04VG/F, lo que significa que para una fibra con una longitud de 80 km, el ancho de la línea de la fuente de luz es menos de 100 HZ. Además, el desarrollo de otras aplicaciones también presentó requisitos más altos para el ancho de línea de la fuente de luz. Por ejemplo, en el sistema de hidrófono de fibra óptica, el ancho de línea de la fuente de luz determina el ruido del sistema y también determina la señal mínima medible del sistema. En el reflector de dominio de tiempo óptico de Brillouin (BOTDR), la resolución de medición de la temperatura y el estrés se determina principalmente por el ancho de línea de la fuente de luz. En un giroscopio de fibra óptica de resonador, la longitud de coherencia de la onda de luz se puede aumentar reduciendo el ancho de línea de la fuente de luz, mejorando así la finura y la profundidad de resonancia del resonador, reduciendo el ancho de línea del resonador y asegurando la precisión de la medición del fibra óptica de Gyro.
1.2 Requisitos para fuentes láser de barrido
El láser de barrido de longitud de onda única tiene un rendimiento de ajuste de longitud de onda flexible, puede reemplazar los láseres de longitud de onda fija de salida múltiple, reducir el costo de la construcción del sistema, es una parte indispensable del sistema de detección de fibra óptica. Por ejemplo, en la detección de fibra de gas traza, diferentes tipos de gases tienen diferentes picos de absorción de gas. Para garantizar la eficiencia de absorción de la luz cuando el gas de medición es suficiente y lograr una mayor sensibilidad de medición, es necesario alinear la longitud de onda de la fuente de luz de transmisión con el pico de absorción de la molécula de gas. El tipo de gas que se puede detectar está esencialmente determinado por la longitud de onda de la fuente de luz de detección. Por lo tanto, los láseres de ancho de línea estrecho con rendimiento de sintonización de banda ancha estable tienen una mayor flexibilidad de medición en tales sistemas de detección. Por ejemplo, en algunos sistemas distribuidos de detección de fibra óptica basados en la reflexión del dominio de frecuencia óptica, el láser debe ser rápidamente barrido periódicamente para lograr la detección coherente de alta precisión y la demodulación de las señales ópticas, por lo que la tasa de modulación de la fuente del láser tiene requisitos relativamente altos, y la velocidad de barrido del láser ajustable generalmente se requiere para alcanzar 10 PM/μs. Además, el láser de ancho de línea estrecho sintonizable de longitud de onda también se puede usar ampliamente en LiDAR, sensación remota láser y análisis espectral de alta resolución y otros campos de detección. In order to meet the requirements of high performance parameters of tuning bandwidth, tuning accuracy and tuning speed of single-wavelength lasers in the field of fiber sensing, the overall goal of studying tunable narrow-width fiber lasers in recent years is to achieve high-precision tuning in a larger wavelength range on the basis of pursuing ultra-narrow laser linewidth, ultra-low phase noise, and ultra-stable output frecuencia y potencia.
1.3 Demanda de fuente de luz láser blanca
En el campo de la detección óptica, el láser de luz blanca de alta calidad es de gran importancia para mejorar el rendimiento del sistema. Cuanto más amplia sea la cobertura del espectro del láser de luz blanca, más extensa es su aplicación en el sistema de detección de fibra óptica. Por ejemplo, cuando se utiliza la rejilla de fibra Bragg (FBG) para construir una red de sensores, el análisis espectral o el método de coincidencia de filtros sintonizables podrían usarse para la demodulación. El primero usó un espectrómetro para probar directamente cada longitud de onda resonante FBG en la red. Este último utiliza un filtro de referencia para rastrear y calibrar el FBG en la detección, lo cual requiere una fuente de luz de banda ancha como fuente de luz de prueba para el FBG. Debido a que cada red de acceso a FBG tendrá una cierta pérdida de inserción y tiene un ancho de banda de más de 0.1 nm, la demodulación simultánea de FBG múltiple requiere una fuente de luz de banda ancha con alta potencia y alto ancho de banda. Por ejemplo, cuando se usa una rejilla de fibra de período largo (LPFG) para la detección, ya que el ancho de banda de un solo pico de pérdida es del orden de 10 nm, se requiere una fuente de luz de amplio espectro con suficiente ancho de banda y un espectro relativamente plano para caracterizar con precisión sus características de pico resonante. En particular, la rejilla de fibra acústica (AIFG) construida utilizando el efecto acústico-óptico puede lograr un rango de ajuste de longitud de onda resonante de hasta 1000 nm mediante la sintonización eléctrica. Por lo tanto, las pruebas de rejilla dinámica con un rango de ajuste tan ultra ancho plantean un gran desafío para el rango de ancho de banda de una fuente de luz de amplio espectro. Del mismo modo, en los últimos años, la rejilla de fibra Bragg inclinada también se ha utilizado ampliamente en el campo de la detección de fibra. Debido a sus características del espectro de pérdida de múltiples picos, el rango de distribución de longitud de onda generalmente puede alcanzar los 40 nm. Su mecanismo de detección generalmente es comparar el movimiento relativo entre los picos de transmisión múltiples, por lo que es necesario medir por completo su espectro de transmisión. Se requiere que el ancho de banda y la potencia de la fuente de luz de espectro ancho sean más altos.
2. Estado de investigación en el hogar y en el extranjero
2.1 Fuente de luz láser de ancho de línea estrecho
2.1.1 láser de retroalimentación distribuida de semiconductores de línea estrecha
En 2006, Cliche et al. redujo la escala MHz de semiconductorLáser DFB(láser de retroalimentación distribuida) a escala KHZ utilizando el método de retroalimentación eléctrica; En 2011, Kessler et al. Se usó cavidad de cristal único de baja temperatura y alta estabilidad combinada con control de retroalimentación activa para obtener una salida láser de ancho de línea ultra narrada de 40 MHz; En 2013, Peng et al obtuvieron una salida de láser semiconductores con un ancho de línea de 15 kHz mediante el ajuste de retroalimentación del método de Fabry-Perot (FP). El método de retroalimentación eléctrica utilizó principalmente la retroalimentación de estabilización de la frecuencia del hall de estanque para hacer que se reduzca el ancho de línea del láser de la fuente de luz. En 2010, Bernhardi et al. produjo 1 cm de FBG de alúmina dopado con erbio en un sustrato de óxido de silicio para obtener una salida láser con un ancho de línea de aproximadamente 1.7 kHz. En el mismo año, Liang et al. utilizó la retroalimentación de autoinyección de la dispersión de Rayleigh hacia atrás formada por un resonador de pared de eco de alto Q para la compresión de ancho de línea de láser semiconductores, como se muestra en la Figura 1, y finalmente obtuvo una salida láser de ancho de línea estrecha de 160 Hz.
Fig. 1 (a) Diagrama de compresión de ancho de línea de láser semiconductores basada en la dispersión de rayleigh de autoinyección del resonador de modo de galería de susurros externo;
(b) espectro de frecuencia del láser semiconductor de ejecución libre con ancho de línea de 8 MHz;
(c) Espectro de frecuencia del láser con ancho de línea comprimido a 160 Hz
2.1.2 láser de fibra de ancho de línea estrecha
Para los láseres de fibra de cavidad lineal, la salida de láser de ancho de línea estrecho del modo longitudinal único se obtiene acortando la longitud del resonador y aumentando el intervalo del modo longitudinal. En 2004, Spiegelberg et al. obtuvo una sola salida láser de ancho de línea longitudinal de modo longitudinal con un ancho de línea de 2 kHz utilizando el método de cavidad corta DBR. En 2007, Shen et al. Usó una fibra de silicio dopada con Erbium de 2 cm para escribir FBG en una fibra fotosensible codopedada de BI-GE, y la fusionó con una fibra activa para formar una cavidad lineal compacta, lo que hace que su ancho de línea de salida láser sea inferior a 1 kHz. En 2010, Yang et al. Usó una cavidad lineal corta altamente dopada de 2 cm combinada con un filtro FBG de banda estrecha para obtener una salida láser longitudinal única con un ancho de línea de menos de 2 kHz. En 2014, el equipo utilizó una cavidad lineal corta (resonador de anillo plegado virtual) combinado con un filtro FBG-FP para obtener una salida láser con un ancho de línea más estrecho, como se muestra en la Figura 3. En 2012, Cai et al. Usó una estructura de cavidad corta de 1.4 cm para obtener una salida láser polarizante con una potencia de salida mayor de 114 MW, una longitud de onda central de 1540.3 nm y un ancho de línea de 4.1 kHz. En 2013, Meng et al. Utilizó la dispersión de Brillouin de fibra dopada con erbio con una cavidad de anillo corta de un dispositivo de preservación de sesgo completo para obtener un modo láser de ruido de baja fase de un solo modo longitudinal con una potencia de salida de 10 mW. En 2015, el equipo utilizó una cavidad de anillo compuesta por fibra dopada con erbio de 45 cm como medio de dispersión de brillouina para obtener un umbral bajo y una salida de láser de ancho de línea estrecha.
Fig. 2 (a) dibujo esquemático del láser de fibra SLC;
(b) Linishape de la señal heterodina medida con retraso de fibra de 97.6 km
Tiempo de publicación: noviembre-20-2023