teknologi sumber laser kanggoserat optiksensing Part One
Teknologi sensing serat optik minangka jinis teknologi sensing sing dikembangake bebarengan karo teknologi serat optik lan teknologi komunikasi serat optik, lan wis dadi salah sawijining cabang teknologi fotoelektrik sing paling aktif. Sistem sensing serat optik utamané dumadi saka laser, serat transmisi, unsur sensing utawa area modulasi, deteksi cahya lan bagean liyane. Paramèter sing njlèntrèhaké karakteristik gelombang cahya kalebu intensitas, dawa gelombang, fase, negara polarisasi, lan liya-liyane. Parameter kasebut bisa diganti kanthi pengaruh eksternal ing transmisi serat optik. Contone, nalika suhu, galur, meksa, saiki, pamindahan, geter, rotasi, mlengkung lan jumlah kimia mengaruhi path optis, paramèter iki ngganti cocog. Sensasi serat optik adhedhasar hubungan antarane paramèter kasebut lan faktor eksternal kanggo ndeteksi jumlah fisik sing cocog.
Ana akeh jinissumber laserdigunakake ing sistem penginderaan serat optik, sing bisa dipérang dadi rong kategori: koherensumber laserlan sumber cahya incoherent, incoherentsumber cahyautamane kalebu lampu pijar lan dioda pemancar cahya, lan sumber cahya sing koheren kalebu laser padat, laser cair, laser gas,laser semikonduktorlanserat laser. Ing ngisor iki utamané kanggosumber cahya laserdigunakake digunakake ing lapangan serat sensing ing taun anyar: jembaré garis sempit laser frekuensi siji, laser frekuensi Sapuan siji-panjang gelombang lan laser putih.
1.1 Requirements kanggo linewidth panahsumber cahya laser
Sistem sensing serat optik ora bisa dipisahake saka sumber laser, minangka gelombang cahya operator sinyal sing diukur, kinerja sumber cahya laser dhewe, kayata stabilitas daya, linewidth laser, gangguan fase lan paramèter liyane ing jarak deteksi sistem deteksi serat optik, deteksi akurasi, sensitivitas lan karakteristik swara muter peran nemtokake. Ing taun anyar, karo pangembangan long-distance Ultra-dhuwur resolusi sistem serat optik roso, akademisi lan industri wis sijine nerusake syarat luwih kenceng kanggo kinerja linewidth miniaturization laser, utamané ing: optik frekuensi bayangan domain (OFDR) teknologi nggunakake koheren teknologi deteksi kanggo njelasno backrayleigh sinyal kasebar saka serat optik ing domain frekuensi, karo jangkoan sudhut (ewu meter). Kauntungan saka resolusi dhuwur (resolusi tingkat milimeter) lan sensitivitas dhuwur (nganti -100 dBm) wis dadi salah sawijining teknologi kanthi prospek aplikasi sing wiyar ing pangukuran serat optik lan teknologi sensing sing disebarake. Inti saka teknologi OFDR yaiku nggunakake sumber cahya sing bisa disetel kanggo entuk tuning frekuensi optik, saengga kinerja sumber laser nemtokake faktor kunci kayata sawetara deteksi, sensitivitas lan resolusi OFDR. Nalika jarak titik refleksi cedhak karo dawa koherensi, intensitas sinyal beat bakal dikurangi sacara eksponensial kanthi koefisien τ/τc. Kanggo sumber cahya Gaussian kanthi wangun spektral, kanggo mesthekake yen frekuensi beat nduweni visibilitas luwih saka 90%, hubungan antarane jembar garis sumber cahya lan dawa sensing maksimum sing bisa digayuh sistem yaiku Lmax~0.04vg /f, tegese kanggo serat kanthi dawane 80 km, ambane garis sumber cahya kurang saka 100 Hz. Kajaba iku, pangembangan aplikasi liyane uga nyedhiyakake syarat sing luwih dhuwur kanggo lebar garis sumber cahya. Contone, ing sistem hidrofon serat optik, lebar garis sumber cahya nemtokake gangguan sistem lan uga nemtokake sinyal sing bisa diukur minimal saka sistem kasebut. Ing reflektor domain wektu optik Brillouin (BOTDR), resolusi pangukuran suhu lan stres utamane ditemtokake dening jembar garis sumber cahya. Ing gyro serat optik resonator, dawa koherensi gelombang cahya bisa ditambah kanthi nyuda jembar garis sumber cahya, saéngga ningkatake kehalusan lan ambane resonansi resonator, nyuda jembar garis resonator, lan njamin pangukuran. akurasi gyro serat optik.
1.2 Requirements kanggo sumber laser Sapuan
Laser Sapuan dawa gelombang tunggal nduweni kinerja tuning dawa gelombang sing fleksibel, bisa ngganti sawetara laser dawa gelombang tetep output, nyuda biaya konstruksi sistem, minangka bagean penting saka sistem sensor serat optik. Contone, ing sensing serat gas tilak, macem-macem jinis gas duwe puncak panyerepan gas beda. Kanggo njamin efisiensi panyerepan cahya nalika gas pangukuran cukup lan entuk sensitivitas pangukuran sing luwih dhuwur, perlu kanggo nyelarasake dawa gelombang sumber cahya transmisi kanthi puncak panyerepan molekul gas. Jinis gas sing bisa dideteksi ing dasare ditemtokake dening dawa gelombang sumber cahya sensing. Mulane, laser linewidth sempit kanthi kinerja tuning broadband sing stabil nduweni keluwesan pangukuran sing luwih dhuwur ing sistem sensing kasebut. Contone, ing sawetara sistem sensing serat optik mbagekke adhedhasar bayangan domain frekuensi optik, laser kudu kanthi cepet kesapu periodik kanggo entuk deteksi koheren tliti dhuwur lan demodulation sinyal optik, supaya tingkat modulasi saka sumber laser wis syarat relatif dhuwur. , lan kacepetan Sapuan saka laser luwes biasane dibutuhake kanggo tekan 10 pm/μs. Kajaba iku, dawa gelombang tunable laser linewidth panah uga bisa digunakake digunakake ing liDAR, laser remote sensing lan analisis spektral resolusi dhuwur lan lapangan sensing liyane. Kanggo nyukupi syarat paramèter kinerja dhuwur saka tuning bandwidth, akurasi tuning lan kacepetan tuning laser gelombang tunggal ing bidang sensing serat, tujuan sakabèhé kanggo nyinaoni laser serat sing jembar sing tunable ing taun-taun pungkasan yaiku kanggo entuk dhuwur- tuning tliti ing sawetara dawa gelombang luwih gedhe ing basis saka nguber linewidth laser ultra-sempit, swara phase Ultra-rendah, lan frekuensi output Ultra-stabil lan daya.
1.3 Panjaluk sumber cahya laser putih
Ing lapangan sensing optik, laser cahya putih kualitas dhuwur iku pinunjul gedhe kanggo nambah kinerja sistem. Sing luwih akeh jangkoan spektrum laser cahya putih, luwih akeh aplikasi ing sistem sensing serat optik. Contone, nalika nggunakake serat Bragg grating (FBG) kanggo mbangun jaringan sensor, analisis spektral utawa metode pencocokan filter tunable bisa digunakake kanggo demodulasi. Tilas nggunakake spektrometer kanggo langsung nguji saben dawa gelombang resonan FBG ing jaringan. Sing terakhir nggunakake panyaring referensi kanggo nglacak lan kalibrasi FBG ing sensing, loro-lorone mbutuhake sumber cahya broadband minangka sumber cahya test kanggo FBG. Amarga saben jaringan akses FBG bakal duwe mundhut selipan tartamtu, lan bandwidth luwih saka 0,1 nm, demodulasi simultaneous saka macem-macem FBG mbutuhake sumber cahya broadband karo daya dhuwur lan bandwidth dhuwur. Contone, nalika nggunakake long period fiber grating (LPFG) kanggo sensing, amarga bandwidth saka puncak mundhut siji ing urutan 10 nm, sumber cahya spektrum sing amba karo bandwidth cekap lan spektrum relatif flat dibutuhake kanggo kanthi akurat ciri resonansi. ciri puncak. Khususe, kisi serat akustik (AIFG) sing dibangun kanthi nggunakake efek akusto-optik bisa entuk sawetara tuning dawa gelombang resonan nganti 1000 nm kanthi tuning listrik. Mula, tes kisi dinamis kanthi jangkauan tuning ultra-sudhut kasebut ndadekake tantangan gedhe kanggo jangkauan bandwidth sumber cahya spektrum sing amba. Kajaba iku, ing taun-taun pungkasan, kisi serat Bragg sing diiringake uga wis akeh digunakake ing bidang sensing serat. Amarga karakteristik spektrum mundhut multi-puncak, kisaran distribusi dawa gelombang biasane bisa tekan 40 nm. Mekanisme sensing biasane kanggo mbandhingake gerakan relatif ing antarane sawetara puncak transmisi, mula kudu ngukur spektrum transmisi kanthi lengkap. Bandwidth lan daya sumber cahya spektrum sing amba kudu luwih dhuwur.
2. Status riset ing njero lan luar negeri
2.1 Sumber cahya laser linewidth sempit
2.1.1 Narrow linewidth semikonduktor mbagekke umpan balik laser
Ing taun 2006, Cliche et al. ngurangi skala MHz semikonduktorDFB laser(Laser umpan balik sing disebarake) menyang skala kHz nggunakake metode umpan balik listrik; Ing 2011, Kessler et al. digunakake suhu kurang lan stabilitas dhuwur growong kristal tunggal digabungake karo kontrol umpan balik aktif diwenehi ultra-sempit linewidth laser output saka 40 MHz; Ing 2013, Peng et al entuk output laser semikonduktor kanthi lebar garis 15 kHz kanthi nggunakake metode penyesuaian umpan balik Fabry-Perot (FP) eksternal. Cara umpan balik listrik utamane nggunakake umpan balik stabilisasi frekuensi Pond-Drever-Hall kanggo nyuda lebar garis laser saka sumber cahya. Ing 2010, Bernhardi et al. diprodhuksi 1 cm saka erbium-doped alumina FBG ing substrat silikon oksida diwenehi output laser karo jembaré baris saka bab 1,7 kHz. Ing taun sing padha, Liang et al. digunakake saran poto-injeksi saka mundur Rayleigh scattering kawangun dening dhuwur-Q resonator wall kumandhang kanggo semikonduktor laser komprèsi line-jembaré, minangka ditampilake ing Figure 1, lan pungkasanipun pikantuk output laser jembaré garis panah 160 Hz.
Fig. 1 (a) Diagram komprèsi linewidth laser semikonduktor adhedhasar panyebaran Rayleigh dhewe saka resonator mode galeri bisikan eksternal;
(b) Spektrum frekuensi saka laser semikonduktor sing mlaku bebas kanthi lebar garis 8 MHz;
(c) Spektrum frekuensi laser kanthi jembar garis dikompres nganti 160 Hz
2.1.2 Laser serat linewidth panah
Kanggo laser serat rongga linear, output laser linewidth sempit saka mode longitudinal tunggal dipikolehi kanthi nyepetake dawa resonator lan nambah interval mode longitudinal. Ing taun 2004, Spiegelberg et al. entuk output laser linewidth tunggal mode longitudinal kanthi lebar garis 2 kHz kanthi nggunakake metode rongga cendhak DBR. Ing 2007, Shen et al. digunakake 2 cm serat silikon akeh erbium-doped kanggo nulis FBG ing serat photosensitive co-doped Bi-Ge, lan nggabungke karo serat aktif kanggo mbentuk growong linear kompak, nggawe garis output laser jembaré kurang saka 1 kHz. Ing 2010, Yang et al. digunakake rongga linear cendhak 2cm Highly doped digabungake karo Filter FBG narrowband diwenehi output laser mode longitudinal siji karo jembaré baris kurang saka 2 kHz. Ing 2014, tim nggunakake rongga linear cendhak (virtual lempitan ring resonator) digabungake karo FBG-FP Filter diwenehi output laser karo jembaré garis sempit, minangka ditampilake ing Figure 3. Ing 2012, Cai et al. nggunakake struktur rongga cendhak 1,4cm kanggo entuk output laser polarisasi kanthi daya output luwih saka 114 mW, dawa gelombang tengah 1540,3 nm, lan jembaré garis 4,1 kHz. Ing 2013, Meng et al. digunakake Brillouin scattering saka serat erbium-doped karo rongga ring cendhak piranti preserving full-bias diwenehi mode single-longitudinal, output laser gangguan fase kurang karo daya output 10 mW. Ing taun 2015, tim kasebut nggunakake rongga cincin sing kasusun saka serat erbium-doped 45 cm minangka medium gain panyebaran Brillouin kanggo entuk ambang sing kurang lan output laser linewidth sing sempit.
Gambar 2 (a) Gambar skematis saka laser serat SLC;
(b) Lineshape saka sinyal heterodyne diukur karo 97,6 km serat tundha
Wektu kirim: Nov-20-2023