Tecnología de fuente láser parafibra ópticadetección Parte uno
La tecnología de detección por fibra óptica es un tipo de tecnología de detección desarrollada junto con la tecnología de fibra óptica y la tecnología de comunicación por fibra óptica, y se ha convertido en una de las ramas más activas de la tecnología fotoeléctrica. Un sistema de detección por fibra óptica se compone principalmente de un láser, una fibra de transmisión, un elemento sensor o área de modulación, un detector de luz y otros componentes. Los parámetros que describen las características de la onda de luz incluyen intensidad, longitud de onda, fase, estado de polarización, etc. Estos parámetros pueden verse alterados por influencias externas en la transmisión por fibra óptica. Por ejemplo, cuando la temperatura, la tensión, la presión, la corriente, el desplazamiento, la vibración, la rotación, la flexión y la cantidad de sustancias químicas afectan la trayectoria óptica, estos parámetros cambian en consecuencia. La detección por fibra óptica se basa en la relación entre estos parámetros y los factores externos para detectar las magnitudes 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 luzLas fuentes de luz coherente incluyen principalmente luz incandescente y diodos emisores de luz, y las fuentes de luz coherente incluyen láseres sólidos, láseres líquidos, láseres de gas,láser semiconductoryláser de fibra. Lo siguiente es principalmente para elfuente de luz láserEn los últimos años, se han utilizado ampliamente en el campo de la detección por fibra óptica: láser de frecuencia única con ancho de línea estrecho, láser de frecuencia de barrido de longitud de onda única y láser blanco.
1.1 Requisitos para un ancho de línea estrechofuentes de luz láser
El sistema de detección por fibra óptica no puede separarse de la fuente láser, ya que la onda de luz portadora de la señal medida y el rendimiento de la propia fuente de luz láser, como la estabilidad de potencia, el ancho de línea del láser, el ruido de fase y otros parámetros, desempeñan un papel decisivo en la distancia de detección, la precisión de detección, la sensibilidad y las características de ruido del sistema de detección por fibra óptica. En los últimos años, con el desarrollo de sistemas de detección por fibra óptica de ultra alta resolución y larga distancia, la academia y la industria han planteado requisitos más estrictos para el rendimiento del ancho de línea de la miniaturización del láser, principalmente en: la tecnología de reflexión en el dominio de la frecuencia óptica (OFDR) utiliza tecnología de detección coherente para analizar las señales dispersas de retrodispersión de fibras ópticas en el dominio de la frecuencia, con una amplia cobertura (miles de metros). Las ventajas de alta resolución (resolución a nivel milimétrico) y alta sensibilidad (hasta -100 dBm) la han convertido en una de las tecnologías con amplias perspectivas de aplicación en la tecnología de medición y detección distribuida por fibra óptica. La base de la tecnología OFDR es el uso de una fuente de luz sintonizable para lograr la sintonización de frecuencia óptica, por lo que el rendimiento de la fuente láser determina factores clave como el rango de detección, la sensibilidad y la resolución de OFDR. Cuando la distancia del punto de reflexión se aproxima a la longitud de coherencia, la intensidad de la señal de batido se atenúa exponencialmente por el coeficiente τ/τc. Para una fuente de luz gaussiana con una forma espectral, para garantizar que la frecuencia de batido tenga una visibilidad superior al 90%, la relación entre el ancho de línea de la fuente de luz y la longitud máxima de detección que puede alcanzar el sistema es Lmax~0,04vg/f, lo que significa que para una fibra de 80 km de longitud, el ancho de línea de la fuente de luz es inferior a 100 Hz. Además, el desarrollo de otras aplicaciones también plantea mayores requisitos 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 la señal mínima medible del mismo. En el reflector óptico de dominio temporal de Brillouin (BOTDR), la resolución de medición de temperatura y tensión está determinada principalmente por el ancho de línea de la fuente de luz. En un giroscopio de fibra óptica resonante, 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 nitidez y la profundidad de resonancia del resonador, reduciendo su ancho de línea y garantizando la precisión de medición del giroscopio de fibra óptica.
1.2 Requisitos para las 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 a los láseres de longitud de onda fija de salida múltiple, reduce el costo de construcción del sistema y es una parte indispensable del sistema de detección de fibra óptica. Por ejemplo, en la detección de gases traza por fibra, diferentes tipos de gases tienen diferentes picos de absorción de gas. Para garantizar la eficiencia de absorción de 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 un rendimiento de ajuste de banda ancha estable tienen una mayor flexibilidad de medición en dichos sistemas de detección. Por ejemplo, en algunos sistemas de detección de fibra óptica distribuidos basados en la reflexión en el dominio de la frecuencia óptica, el láser necesita ser barrido periódicamente rápido para lograr una detección coherente de alta precisión y la demodulación de señales ópticas, por lo que la tasa de modulación de la fuente láser tiene requisitos relativamente altos, y la velocidad de barrido del láser ajustable generalmente debe alcanzar 10 pm/μs. Además, el láser de ancho de línea estrecho y longitud de onda sintonizable también puede utilizarse ampliamente en LiDAR, teledetección láser, análisis espectral de alta resolución y otros campos de detección. Para cumplir con los requisitos de alto rendimiento de los parámetros de ancho de banda, precisión y velocidad de sintonización de los láseres de longitud de onda única en el campo de la detección por fibra, el objetivo general del estudio de los láseres de fibra de ancho estrecho y sintonizables en los últimos años es lograr una sintonización de alta precisión en un rango de longitud de onda más amplio, a la vez que se busca un ancho de línea láser ultraestrecho, un ruido de fase ultrabajo y una frecuencia y potencia de salida ultraestables.
1.3 Demanda de fuente de luz láser blanca
En el campo de la detección óptica, un láser de luz blanca de alta calidad es fundamental para mejorar el rendimiento del sistema. Cuanto mayor sea la cobertura espectral del láser de luz blanca, mayor será su aplicación en sistemas de detección por fibra óptica. Por ejemplo, al utilizar rejillas de Bragg de fibra (FBG) para construir una red de sensores, se puede emplear el análisis espectral o el método de ajuste de filtros sintonizables para la demodulación. El primero utiliza un espectrómetro para medir directamente la longitud de onda resonante de cada FBG en la red. El segundo utiliza un filtro de referencia para rastrear y calibrar la FBG durante la detección; ambos métodos requieren una fuente de luz de banda ancha como fuente de prueba para la FBG. Dado que cada red de acceso FBG presenta una cierta pérdida de inserción y tiene un ancho de banda superior a 0,1 nm, la demodulación simultánea de múltiples FBG requiere una fuente de luz de banda ancha con alta potencia y gran ancho de banda. Por ejemplo, al usar rejillas de fibra de período largo (LPFG) para detección, dado 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 ancho de banda suficiente y un espectro relativamente plano para caracterizar con precisión sus características de pico resonante. En particular, las rejillas de fibra acústicas (AIFG) construidas utilizando el efecto acustoóptico pueden lograr un rango de sintonización de longitud de onda resonante de hasta 1000 nm mediante sintonización eléctrica. Por lo tanto, la prueba dinámica de rejillas con un rango de sintonización tan ultra amplio plantea un gran desafío para el rango de ancho de banda de una fuente de luz de amplio espectro. De manera similar, en los últimos años, las rejillas de fibra de Bragg inclinadas también se han utilizado ampliamente en el campo de la detección de fibra. Debido a sus características de 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 consiste en comparar el movimiento relativo entre múltiples picos de transmisión, por lo que es necesario medir su espectro de transmisión por completo. El ancho de banda y la potencia de la fuente de luz de amplio espectro deben ser mayores.
2. Situación de la investigación a nivel nacional e internacional.
2.1 Fuente de luz láser de ancho de línea estrecho
2.1.1 Láser semiconductor de retroalimentación distribuida de ancho de línea estrecho
En 2006, Cliche et al. redujeron la escala de MHz de los semiconductoresláser DFB(láser de retroalimentación distribuida) a escala de kHz utilizando el método de retroalimentación eléctrica; En 2011, Kessler et al. utilizaron una 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 ultraestrecho de 40 MHz; En 2013, Peng et al. obtuvieron una salida láser semiconductora con un ancho de línea de 15 kHz utilizando el método de ajuste de retroalimentación Fabry-Perot (FP) externo. El método de retroalimentación eléctrica utilizó principalmente la retroalimentación de estabilización de frecuencia Pond-Drever-Hall para reducir el ancho de línea láser de la fuente de luz. En 2010, Bernhardi et al. produjeron 1 cm de FBG de alúmina dopada 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. Se utilizó la retroalimentación de autoinyección de la dispersión de Rayleigh inversa formada por un resonador de pared de eco de alto Q para la compresión del ancho de línea del láser semiconductor, como se muestra en la Figura 1, y finalmente se obtuvo una salida láser de ancho de línea estrecho de 160 Hz.
Fig. 1 (a) Diagrama de compresión del ancho de línea del láser semiconductor basado en la dispersión de Rayleigh de autoinyección de un resonador de modo de galería susurrante externo;
(b) Espectro de frecuencia del láser semiconductor de funcionamiento libre con un 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 estrecho
Para los láseres de fibra de cavidad lineal, la salida láser de ancho de línea estrecho de un solo modo longitudinal se obtiene acortando la longitud del resonador y aumentando el intervalo del modo longitudinal. En 2004, Spiegelberg et al. obtuvieron una salida láser de ancho de línea estrecho de un solo modo longitudinal con un ancho de línea de 2 kHz utilizando el método de cavidad corta DBR. En 2007, Shen et al. utilizaron una fibra de silicio fuertemente dopada con erbio de 2 cm para escribir FBG en una fibra fotosensible codopada con Bi-Ge, y la fusionaron con una fibra activa para formar una cavidad lineal compacta, haciendo que su ancho de línea de salida láser fuera menor a 1 kHz. En 2010, Yang et al. utilizaron una cavidad lineal corta altamente dopada de 2 cm combinada con un filtro FBG de banda estrecha para obtener una salida láser de modo longitudinal único con un ancho de línea de menos de 2 kHz. En 2014, el equipo utilizó una cavidad lineal corta (resonador de anillo plegado virtual) combinada 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. utilizaron una estructura de cavidad corta de 1,4 cm para obtener una salida láser polarizada con una potencia de salida superior a 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. utilizaron la dispersión de Brillouin de fibra dopada con erbio con una cavidad de anillo corta de un dispositivo de preservación de polarización completa para obtener una salida láser de modo longitudinal único, bajo ruido de fase con una potencia de salida de 10 mW. En 2015, el equipo utilizó una cavidad de anillo compuesta de fibra dopada con erbio de 45 cm como medio de ganancia de dispersión de Brillouin para obtener una salida láser de bajo umbral y ancho de línea estrecho.
Fig. 2 (a) Dibujo esquemático del láser de fibra SLC;
(b) Forma de línea de la señal heterodina medida con un retardo de fibra de 97,6 km
Fecha de publicación: 20 de noviembre de 2023