Laserbrontegnologie viroptiese veselsensing Deel Een
Optiese vesel-waarnemingstegnologie is 'n soort waarnemingstegnologie wat saam met optiese veseltegnologie en optiese vesel-kommunikasietegnologie ontwikkel is, en dit het een van die mees aktiewe takke van fotoëlektriese tegnologie geword. Die optiese vesel-waarnemingstelsel bestaan hoofsaaklik uit laser, transmissievesel, waarnemingselement of modulasie-area, ligdeteksie en ander dele. Die parameters wat die eienskappe van liggolwe beskryf, sluit in intensiteit, golflengte, fase, polarisasietoestand, ens. Hierdie parameters kan verander word deur eksterne invloede in optiese vesel-oordrag. Byvoorbeeld, wanneer temperatuur, spanning, druk, stroom, verplasing, vibrasie, rotasie, buiging en chemiese hoeveelheid die optiese pad beïnvloed, verander hierdie parameters dienooreenkomstig. Optiese veselwaarneming is gebaseer op die verhouding tussen hierdie parameters en eksterne faktore om die ooreenstemmende fisiese hoeveelhede op te spoor.
Daar is baie soorte vanlaserbrongebruik in optiese vesel-sensorstelsels, wat in twee kategorieë verdeel kan word: koherentlaserbronneen onsamehangende ligbronne, onsamehangendligbronnesluit hoofsaaklik gloeilampe en lig-emitterende diodes in, en koherente ligbronne sluit soliede lasers, vloeibare lasers, gaslasers in,halfgeleierlaserenvesellaserDie volgende is hoofsaaklik vir dielaserligbronwyd gebruik in die veld van veselwaarneming in onlangse jare: smal lynwydte enkelfrekwensielaser, enkelgolflengte-veegfrekwensielaser en witlaser.
1.1 Vereistes vir smal lynwydtelaserligbronne
Die optiese vesel-sensorstelsel kan nie van die laserbron geskei word nie, aangesien die gemete seindraerliggolf, die laserligbron self se werkverrigting, soos kragstabiliteit, laserlynwydte, faseruis en ander parameters op die opsporingsafstand, opsporingsakkuraatheid, sensitiwiteit en geraaskeienskappe van die optiese vesel-sensorstelsel 'n deurslaggewende rol speel. In onlangse jare, met die ontwikkeling van langafstand-ultrahoë-resolusie optiese vesel-sensorstelsels, het die akademici en die industrie strenger vereistes vir die lynwydte-werkverrigting van laserminiaturisering gestel, hoofsaaklik in: optiese frekwensiedomein-refleksie (OFDR) tegnologie gebruik koherente opsporingstegnologie om die terugstraalverspreide seine van optiese vesels in die frekwensiedomein te analiseer, met 'n wye dekking (duisende meter). Die voordele van hoë resolusie (millimetervlak-resolusie) en hoë sensitiwiteit (tot -100 dBm) het een van die tegnologieë met wye toepassingsvooruitsigte in verspreide optiese veselmeting- en sensortegnologie geword. Die kern van OFDR-tegnologie is om 'n instelbare ligbron te gebruik om optiese frekwensie-instelling te bereik, dus bepaal die werkverrigting van die laserbron die sleutelfaktore soos OFDR-opsporingsbereik, sensitiwiteit en resolusie. Wanneer die refleksiepuntafstand naby die koherensielengte is, sal die intensiteit van die stootsein eksponensieel verswak word met die koëffisiënt τ/τc. Vir 'n Gaussiese ligbron met 'n spektrale vorm, om te verseker dat die stootfrekwensie meer as 90% sigbaarheid het, is die verhouding tussen die lynwydte van die ligbron en die maksimum waarnemingslengte wat die stelsel kan bereik Lmax~0.04vg/f, wat beteken dat vir 'n vesel met 'n lengte van 80 km, die lynwydte van die ligbron minder as 100 Hz is. Daarbenewens het die ontwikkeling van ander toepassings ook hoër vereistes vir die lynwydte van die ligbron gestel. Byvoorbeeld, in die optiese veselhidrofoonstelsel bepaal die lynwydte van die ligbron die stelselgeraas en ook die minimum meetbare sein van die stelsel. In Brillouin optiese tyddomeinreflektor (BOTDR) word die meetresolusie van temperatuur en spanning hoofsaaklik bepaal deur die lynwydte van die ligbron. In 'n resonator-veseloptiese giro kan die koherensielengte van die liggolf verhoog word deur die lynwydte van die ligbron te verminder, waardeur die fynheid en resonansiediepte van die resonator verbeter word, die lynwydte van die resonator verminder word en die meet akkuraatheid van die veseloptiese giro verseker word.
1.2 Vereistes vir sweeplaserbronne
Enkelgolflengte-veeglasers het buigsame golflengte-afstemmingsprestasie, kan veelvuldige uitsetlasers met vaste golflengtes vervang, die koste van stelselkonstruksie verminder, en is 'n onontbeerlike deel van 'n optiese vesel-waarnemingstelsel. Byvoorbeeld, in spoorgasveselwaarneming het verskillende soorte gasse verskillende gasabsorpsiepieke. Om die ligabsorpsie-doeltreffendheid te verseker wanneer die meetgas voldoende is en hoër meetsensitiwiteit te bereik, is dit nodig om die golflengte van die transmissieligbron met die absorpsiepiek van die gasmolekule in lyn te bring. Die tipe gas wat opgespoor kan word, word hoofsaaklik bepaal deur die golflengte van die waarnemingsligbron. Daarom het smal lynwydtelasers met stabiele breëband-afstemmingsprestasie hoër meetbuigsaamheid in sulke waarnemingstelsels. Byvoorbeeld, in sommige verspreide optiese veselwaarnemingstelsels gebaseer op optiese frekwensiedomeinrefleksie, moet die laser vinnig periodiek gevee word om hoë-presisie koherente opsporing en demodulasie van optiese seine te bereik, dus het die modulasietempo van die laserbron relatief hoë vereistes, en die veegspoed van die verstelbare laser word gewoonlik vereis om 10 pm/μs te bereik. Daarbenewens kan die golflengte-instelbare smal lynwydte-laser ook wyd gebruik word in liDAR, laserafstandswaarneming en hoë-resolusie spektrale analise en ander waarnemingsvelde. Om te voldoen aan die vereistes van hoëprestasieparameters van afstembandwydte, afstemakkuraatheid en afstemspoed van enkelgolflengte-lasers in die veld van veselwaarneming, is die algehele doelwit van die bestudering van instelbare smalwydte-vesellasers in onlangse jare om hoë-presisie-afstemming in 'n groter golflengtebereik te bereik op grond van die nastrewing van ultra-smal laserlynwydte, ultra-lae faseruis en ultra-stabiele uitsetfrekwensie en -krag.
1.3 Aanvraag vir wit laserligbron
In die veld van optiese waarneming is hoëgehalte witliglasers van groot belang om die werkverrigting van die stelsel te verbeter. Hoe wyer die spektrumdekking van witliglasers, hoe meer uitgebreid is die toepassing daarvan in optiese veselwaarnemingstelsels. Byvoorbeeld, wanneer vesel Bragg-rooster (FBG) gebruik word om 'n sensornetwerk te konstrueer, kan spektrale analise of die instelbare filteraanpassingsmetode vir demodulasie gebruik word. Eersgenoemde het 'n spektrometer gebruik om elke FBG-resonante golflengte in die netwerk direk te toets. Laasgenoemde gebruik 'n verwysingsfilter om die FBG in die waarneming op te spoor en te kalibreer, wat albei 'n breëbandligbron as 'n toetsligbron vir die FBG benodig. Omdat elke FBG-toegangsnetwerk 'n sekere invoegverlies sal hê, en 'n bandwydte van meer as 0.1 nm het, vereis die gelyktydige demodulasie van veelvuldige FBG 'n breëbandligbron met hoë krag en hoë bandwydte. Byvoorbeeld, wanneer langperiode-veselrooster (LPFG) vir waarneming gebruik word, aangesien die bandwydte van 'n enkele verliespiek in die orde van 10 nm is, is 'n breëspektrum ligbron met voldoende bandwydte en relatief plat spektrum nodig om die resonante piekkenmerke akkuraat te karakteriseer. In die besonder kan akoestiese veselrooster (AIFG) wat gebou is deur die gebruik van akoesto-optiese effek 'n afstembereik van resonante golflengte tot 1000 nm bereik deur middel van elektriese afstemming. Daarom bied dinamiese roostertoetsing met so 'n ultrawye afstembereik 'n groot uitdaging vir die bandwydtebereik van 'n wyespektrum ligbron. Net so is gekantelde Bragg-veselrooster in onlangse jare ook wyd gebruik in die veld van veselwaarneming. As gevolg van sy multi-piek verliesspektrumkenmerke, kan die golflengteverspreidingsbereik gewoonlik 40 nm bereik. Die waarnemingsmeganisme is gewoonlik om die relatiewe beweging tussen verskeie transmissiepieke te vergelyk, daarom is dit nodig om die transmissiespektrum volledig te meet. Die bandwydte en krag van die wyespektrum ligbron moet hoër wees.
2. Navorsingstatus tuis en in die buiteland
2.1 Smal lynwydte laserligbron
2.1.1 Smal lynwydte halfgeleier verspreide terugvoerlaser
In 2006 het Cliche et al. die MHz-skaal van halfgeleier verminderDFB-laser(verspreide terugvoerlaser) tot kHz-skaal met behulp van die elektriese terugvoermetode; In 2011 het Kessler et al. lae temperatuur en hoë stabiliteit enkelkristalholte gekombineer met aktiewe terugvoerbeheer gebruik om 'n ultra-smal lynwydte laseruitset van 40 MHz te verkry; In 2013 het Peng et al. 'n halfgeleierlaseruitset met 'n lynwydte van 15 kHz verkry deur die metode van eksterne Fabry-Perot (FP) terugvoeraanpassing te gebruik. Die elektriese terugvoermetode het hoofsaaklik die Pond-Drever-Hall frekwensie-stabiliseringsterugvoer gebruik om die laserlynwydte van die ligbron te verminder. In 2010 het Bernhardi et al. 1 cm erbium-gedoteerde alumina FBG op 'n silikonoksiedsubstraat vervaardig om 'n laseruitset met 'n lynwydte van ongeveer 1.7 kHz te verkry. In dieselfde jaar het Liang et al. het die selfinspuitingsterugvoer van terugwaartse Rayleigh-verstrooiing gebruik wat gevorm word deur 'n hoë-Q eggo-wandresonator vir halfgeleierlaserlynwydte-kompressie, soos getoon in Figuur 1, en uiteindelik 'n smal lynwydte-laseruitset van 160 Hz verkry.
Fig. 1 (a) Diagram van halfgeleierlaserlynwydtekompressie gebaseer op die selfinspuiting Rayleigh-verstrooiing van die eksterne fluistergalerymodusresonator;
(b) Frekwensiespektrum van die vrylopende halfgeleierlaser met lynwydte van 8 MHz;
(c) Frekwensiespektrum van die laser met lynwydte saamgepers tot 160 Hz
2.1.2 Smal lynwydte vesellaser
Vir lineêre holte-vesellasers word die smal lynwydte-laseruitset van enkel longitudinale modus verkry deur die lengte van die resonator te verkort en die longitudinale modusinterval te vergroot. In 2004 het Spiegelberg et al. 'n enkel longitudinale modus smal lynwydte-laseruitset met 'n lynwydte van 2 kHz verkry deur die DBR-kortholtemetode te gebruik. In 2007 het Shen et al. 'n 2 cm hoogs erbium-gedoteerde silikonvesel gebruik om FBG op 'n Bi-Ge-ko-gedoteerde fotosensitiewe vesel te skryf, en dit met 'n aktiewe vesel saamgesmelt om 'n kompakte lineêre holte te vorm, wat die laseruitsetlynwydte minder as 1 kHz maak. In 2010 het Yang et al. 'n 2 cm hoogs gedoteerde kort lineêre holte gekombineer met 'n smalband-FBG-filter gebruik om 'n enkele longitudinale modus-laseruitset met 'n lynwydte van minder as 2 kHz te verkry. In 2014 het die span 'n kort lineêre holte (virtuele gevoude ringresonator) gekombineer met 'n FBG-FP-filter gebruik om 'n laseruitset met 'n nouer lynwydte te verkry, soos getoon in Figuur 3. In 2012 het Cai et al. 'n 1.4 cm kort holtestruktuur gebruik om 'n polariserende laseruitset met 'n uitsetkrag groter as 114 mW, 'n sentrale golflengte van 1540.3 nm en 'n lynwydte van 4.1 kHz te verkry. In 2013 het Meng et al. Brillouin-verstrooiing van erbium-gedoteerde vesel met 'n kort ringholte van 'n vol-voorspanning-behoudtoestel gebruik om 'n enkel-longitudinale modus, lae-fase geraas laseruitset met 'n uitsetkrag van 10 mW te verkry. In 2015 het die span 'n ringholte saamgestel uit 45 cm erbium-gedoteerde vesel as die Brillouin-verstrooiingswinsmedium gebruik om 'n lae drempel en nou lynwydte laseruitset te verkry.
Fig. 2 (a) Skematiese tekening van die SLC-vesellaser;
(b) Lynvorm van die heterodyne sein gemeet met 97.6 km veselvertraging
Plasingstyd: 20 Nov 2023