Tecnulugia di fonte laser perfibra otticasensing Part One
Tecnulugia di sensing fibre otticu hè un tipu di tecnulugia sensing sviluppatu cù a tecnulugia di fibre ottiche è tecnulugia di cumunicazione di fibre ottiche, è hè diventatu unu di i rami più attivi di a tecnulugia fotoelettrica.U sistema di sensazione di fibra ottica hè principalmente cumpostu da laser, fibra di trasmissione, elementu di sensazione o zona di modulazione, rilevazione di luce è altre parti.I paràmetri chì descrizanu e caratteristiche di l'onda di luce includenu intensità, lunghezza d'onda, fase, statu di polarizazione, etc. Questi paràmetri ponu esse cambiati da influenze esterne in a trasmissione di fibra ottica.Per esempiu, quandu a temperatura, a tensione, a pressione, a corrente, u spustamentu, a vibrazione, a rotazione, a curvatura è a quantità chimica affettanu u percorsu otticu, sti paràmetri cambianu in modu currispundente.A sensazione di fibra ottica hè basatu annantu à a relazione trà questi parametri è fatturi esterni per detectà e quantità fisiche currispondenti.
Ci sò parechji tippi difonte laserusatu in sistemi di sensing fibre otticu, chì pò esse divisu in dui categurie: coherentefonti laserè fonti di luce incoherent, incoherentfonti di luceinclude principalmente luce incandescente è diodi emettitori di luce, è fonti di luce coerente include laser solidi, laser liquidi, laser di gas,laser semiconductorèlaser di fibra.U seguitu hè principalmente per ufonte di luce laserlargamente usatu in u campu di fibre sensing in l 'ùrtimi anni: larghezza strittu ligna unica-frequency laser, unica-wavelength spazza laser frequenza è laser biancu.
1.1 Requisiti per a larghezza di linea strettafonti di luce laser
U sistema di sensazione di fibra ottica ùn pò esse separata da a fonte laser, cum'è l'onda di luce di u traspurtadore di segnu misurata, a fonte di luce laser stessu prestazione, cum'è a stabilità di l'energia, a larghezza di linea laser, u rumore di fase è altri paràmetri nantu à a distanza di rilevazione di u sistema di sensazione di fibra ottica, a distanza di rilevazione. a precisione, a sensibilità è e caratteristiche di u rumore ghjucanu un rolu decisivu.Nta l'ultimi anni, cù u sviluppu di sistemi di sensori di fibra ottica ultra-alta risoluzione di longa distanza, l'accademia è l'industria anu presentatu esigenze più strette per a prestazione di larghezza di linea di miniaturizazione laser, principalmente in: a tecnulugia di riflessione di u duminiu di frequenza ottica (OFDR) usa coerente. tecnulugia di dittizzioni à analizà u backrayleigh segnali spargugliati di fibre ottiche in u duminiu di freccia, cù una larga copertura (millaia di metri).I vantaghji di l'alta risoluzione (risoluzione millimetrica) è l'alta sensibilità (finu à -100 dBm) sò diventate una di e tecnulugia cù una larga prospettiva d'applicazione in a tecnulugia di misurazione è di sensazione di fibra ottica distribuita.U core di a tecnulugia OFDR hè di utilizà una fonte di luce sintonizzabile per ottene una sintonizazione di frequenza ottica, cusì a prestazione di a fonte laser determina i fatturi chjave cum'è a gamma di rilevazione OFDR, a sensibilità è a risoluzione.Lorsque la distance du point de réflexion est proche de la longueur de cohérence, l'intensité du signal de battement sera atténuée de manière exponentielle par le coefficient τ/τc.Per una fonte di luce gaussiana cù una forma spettrale, per assicurà chì a frequenza di battitu hà più di 90% di visibilità, a relazione trà a larghezza di linea di a fonte di luce è a lunghezza massima di sensazione chì u sistema pò ottene hè Lmax ~ 0.04vg. /f, chì significa chì per una fibra cù una lunghezza di 80 km, a larghezza di a linea di a fonte di luce hè menu di 100 Hz.Inoltre, u sviluppu di altre applicazioni presenta ancu esigenze più altu per a larghezza di linea di a fonte di luce.Per esempiu, in u sistema di l'idrofonu di fibra ottica, a larghezza di linea di a fonte di luce determina u rumore di u sistema è determina ancu u minimu signale misurabile di u sistema.In u riflettore di u duminiu di u tempu otticu Brillouin (BOTDR), a risoluzione di a misurazione di a temperatura è u stress hè principalmente determinata da a larghezza di linea di a fonte di luce.In un giroscopio in fibra ottica di resonatore, a lunghezza di coerenza di l'onda di luce pò esse aumentata riducendu a larghezza di a linea di a fonte di luce, migliurà cusì a finezza è a prufundità di risonanza di u resonatore, riducendu a larghezza di a linea di u resonatore, è assicurendu a misura. precisione di u giroscopiu in fibra ottica.
1.2 Requisiti per e fonti laser di spazzata
U laser di spazzata di una sola lunghezza d'onda hà prestazioni flessibili di sintonizazione di a lunghezza d'onda, ponu rimpiazzà i laser di lunghezza d'onda fissa di output multipli, riduce u costu di a custruzzione di u sistema, hè una parte indispensabile di u sistema di sensazione di fibra ottica.Per esempiu, in a sensazione di fibra di gas di traccia, diversi tipi di gasi anu diverse picchi di assorbimentu di gas.Per assicurà l'efficienza di l'assorbimentu di a luce quandu u gas di misurazione hè abbastanza è ottene una sensibilità di misurazione più alta, hè necessariu allineà a lunghezza d'onda di a fonte di luce di trasmissione cù u piccu di assorbimentu di a molécula di gas.U tipu di gasu chì pò esse rilevatu hè essenzialmente determinatu da a lunghezza d'onda di a fonte di luce sensing.Dunque, i laser di larghezza di linea stretta cù prestazioni di sintonizazione di banda larga stabile anu una flessibilità di misurazione più alta in tali sistemi di rilevazione.Per esempiu, in certi sistemi di rilevazione di fibre ottiche distribuite basati nantu à a riflessione di u duminiu di frequenza ottica, u laser deve esse spazzatu rapidamente periòdicamente per ottene una rilevazione coerente d'alta precisione è a demodulazione di i segnali ottici, cusì a rata di modulazione di a fonte laser hà esigenze relativamente elevate. , è a vitezza di spazzatura di u laser regulable hè generalmente necessariu per ghjunghje à 10 pm / μs.Inoltre, u laser di larghezza di linea stretta sintonizzabile di lunghezza d'onda pò ancu esse largamente utilizatu in liDAR, laser remote sensing è analisi spettrali d'alta risoluzione è altri campi sensing.Per risponde à i requisiti di parametri d'alta prestazione di larghezza di banda di sintonizazione, precisione di sintonizazione è velocità di sintonizazione di laser à una sola lunghezza d'onda in u campu di a sensazione di fibra, l'obiettivu generale di studià i laser di fibra sintonizzabile di larghezza stretta in l'ultimi anni hè di ottene high- sintonizazione di precisione in una gamma di lunghezze d'onda più larga nantu à a basa di perseguite una larghezza di linea laser ultra-stretta, un rumore di fase ultra-bassu, è una frequenza di output ultra stabile è putenza.
1.3 A dumanda di fonte di luce laser biancu
In u campu di u sensu otticu, laser di luce bianca d'alta qualità hè di grande significazione per migliurà u rendiment di u sistema.A più larga hè a cobertura di u spettru di u laser di luce bianca, più larga hè a so applicazione in u sistema di sensazione di fibra ottica.Per esempiu, quandu si usa a fibra Bragg grating (FBG) per custruisce una rete di sensori, l'analisi spettrali o u metudu di filtru sintonizzabile pò esse usatu per a demodulazione.U primu hà utilizatu un spettrometru per pruvà direttamente ogni lunghezza d'onda di risonanza FBG in a reta.L'ultime usa un filtru di riferimentu per seguità è calibre l'FBG in a sensazione, tramindui chì necessitanu una fonte di luce di banda larga cum'è fonte di luce di prova per u FBG.Perchè ogni reta d'accessu FBG averà una certa perdita di inserzione, è hà una larghezza di banda di più di 0,1 nm, a demodulazione simultanea di più FBG richiede una fonte di luce di banda larga cù alta putenza è larghezza di banda alta.Per esempiu, quandu si usa una rete di fibra di longu periodu (LPFG) per a sensazione, postu chì a larghezza di banda di un piccu di perdita unicu hè in l'ordine di 10 nm, una fonte di luce di spettru largu cù larghezza di banda sufficiente è spettru relativamente pianu hè necessaria per caratterizà accuratamente a so risonanza. caratteristiche di punta.In particulare, a griglia di fibra acustica (AIFG) custruita utilizendu l'effettu acusto-otticu pò ottene una gamma di sintonizazione di lunghezza d'onda risonante finu à 1000 nm per mezu di sintonizazione elettrica.Dunque, a prova di griglia dinamica cù una gamma di sintonizazione cusì ultra-larga pone una grande sfida à a gamma di larghezza di banda di una fonte di luce à spettru largu.In listessa manera, in l'ultimi anni, a griglia di fibra Bragg inclinata hè stata ancu largamente usata in u campu di a sensazione di fibra.A causa di e so caratteristiche di spettru di perdita multi-piccu, a gamma di distribuzione di lunghezza d'onda pò generalmente ghjunghje à 40 nm.U so meccanismu di sensazione hè di solitu paragunà u muvimentu relative trà i picchi di trasmissione multipli, cusì hè necessariu di misurà u so spettru di trasmissione cumpletamente.A larghezza di banda è a putenza di a fonte di luce di spettru largu sò richiesti per esse più altu.
2. Status di ricerca in casa è fora
2.1 Fonte di luce laser di larghezza di linea stretta
2.1.1 Narrow linewidth semiconductor distribuitu laser feedback
In u 2006, Cliche et al.riduce a scala MHz di semiconductorlaser DFB(laser di feedback distribuitu) à scala kHz utilizendu u metudu di feedback elettricu;In u 2011, Kessler et al.Adupratu cavità di cristallo unicu à bassa temperatura è alta stabilità cumminata cù un cuntrollu di feedback attivu per ottene un output laser ultra-strettu di 40 MHz;In u 2013, Peng et al hà ottenutu un output laser semiconductor cù una larghezza di linea di 15 kHz utilizendu u metudu di l'ajustamentu di feedback esternu Fabry-Perot (FP).U metudu di feedback elettricu utilizatu principalmente u feedback di stabilizazione di frequenza Pond-Drever-Hall per riduce a larghezza di a linea laser di a fonte di luce.In u 2010, Bernhardi et al.pruduciutu 1 cm di FBG di allumina drogata cù erbiu nantu à un sustrato d'ossidu di siliciu per ottene un output laser cù una larghezza di linea di circa 1,7 kHz.In u stessu annu, Liang et al.hà utilizatu u feedback di l'auto-iniezione di a dispersione di Rayleigh in daretu formata da un risonatore di muru d'ecu high-Q per a compressione di larghezza di linea di laser di semiconductor, cum'è mostra in a Figura 1, è infine ottene una uscita laser di larghezza di linea stretta di 160 Hz.
Fig. 1 (a) Schema di cumpressione di larghezza di linea laser semiconductor basatu annantu à a sparghjera Rayleigh d'auto-iniezione di u resonatore di u modu di galleria bisbigliata esterna;
(b) Spettru di frequenza di u laser semiconductor in esecuzione libera cù una larghezza di linea di 8 MHz;
(c) Spettru di frequenza di u laser cù una larghezza di linea compressa à 160 Hz
2.1.2 Laser in fibra di larghezza di linea stretta
Per i laser di fibra di cavità lineari, l'uscita laser di larghezza di linea stretta di u modu longitudinale unicu hè ottenuta accurtendu a lunghezza di u resonatore è aumentendu l'intervallu di u modu longitudinale.In u 2004, Spiegelberg et al.ottenutu un unicu modu longitudinale strettu uscita laser di larghezza di linea cù una larghezza di linea di 2 kHz usendu u metudu di cavità corta DBR.In u 2007, Shen et al.hà utilizatu una fibra di siliciu di 2 cm assai drogata d'erbiu per scrive FBG nantu à una fibra fotosensibile co-dopata Bi-Ge, è a fusiona cù una fibra attiva per furmà una cavità lineale compatta, facendu a so larghezza di linea di output laser menu di 1 kHz.In u 2010, Yang et al.hà utilizatu una cavità lineare corta di 2 cm altamente dopata cumminata cù un filtru FBG narrowband per ottene una sola output laser in modu longitudinale cù una larghezza di linea menu di 2 kHz.In 2014, a squadra hà utilizatu una cavità lineale corta (resonator anellu plegatu virtuale) cumminata cù un filtru FBG-FP per ottene una pruduzzioni laser cù una larghezza di linea più stretta, cum'è mostra in a Figura 3. In 2012, Cai et al.Adupratu una struttura di cavità corta di 1,4 cm per ottene una uscita laser polarizante cù una putenza di output più grande di 114 mW, una lunghezza d'onda centrale di 1540,3 nm, è una larghezza di linea di 4,1 kHz.In u 2013, Meng et al.usatu Brillouin scattering di fibre erbium-doped cun una cavità anellu cortu di un dispusitivu priservà full-bias pè ottene un modu unicu-longitudinal, uscita laser low-phase rumore cù una putenza di pruduzzioni di 10 mW.In u 2015, a squadra hà utilizatu una cavità anellu composta da 45 cm di fibra erbium-dopata cum'è u Brillouin scattering guadagnà mediu per ottene un sogliu bassu è una pruduzzione laser di larghezza di linea stretta.
Fig. 2 (a) Disegnu schematicu di u laser di fibra SLC;
(b) Lineshape di u signale heterodyne misurata cù ritardu di fibra di 97,6 km
Tempu di Postu: Nov-20-2023