Laserlähdetekniikkaa vartenoptinen kuituaistii osan yksi
Optinen kuitutunnistustekniikka on eräänlainen tunnistustekniikka, joka on kehitetty yhdessä valokuitutekniikan ja optisen kuituviestintätekniikan kanssa, ja siitä on tullut yksi valosähköisen tekniikan aktiivisimmista haaroista.Optisen kuidun tunnistusjärjestelmä koostuu pääasiassa laserista, siirtokuidusta, anturielementistä tai modulaatioalueesta, valontunnistuksesta ja muista osista.Valoaallon ominaisuuksia kuvaavia parametreja ovat muun muassa intensiteetti, aallonpituus, vaihe, polarisaatiotila jne. Nämä parametrit voivat muuttua optisen kuidun siirron ulkoisten vaikutusten vuoksi.Esimerkiksi kun lämpötila, venymä, paine, virta, siirtymä, värähtely, pyöriminen, taivutus ja kemiallinen määrä vaikuttavat optiseen reittiin, nämä parametrit muuttuvat vastaavasti.Optisen kuidun tunnistus perustuu näiden parametrien ja ulkoisten tekijöiden väliseen suhteeseen vastaavien fyysisten suureiden havaitsemiseksi.
Niitä on monenlaisialaserlähdekäytetään valokuitutunnistinjärjestelmissä, jotka voidaan jakaa kahteen luokkaan: koherentitlaserlähteetja epäkoherentit valonlähteet, epäkoherentitvalonlähteetsisältävät pääasiassa hehkulamppuja ja valoa emittoivia diodeja, ja koherentteja valonlähteitä ovat kiinteät laserit, nestelaserit, kaasulaserit,puolijohdelaserjakuitu laser.Seuraava koskee pääasiassalaser valonlähdelaajalti käytetty kuitutunnistuksen alalla viime vuosina: kapea viivanleveys yksitaajuinen laser, yhden aallonpituuden pyyhkäisytaajuuslaser ja valkoinen laser.
1.1 Vaatimukset kapealle viivanleveydellelaser valonlähteet
Optisen kuidun tunnistusjärjestelmää ei voida erottaa laserlähteestä, koska mitattu signaalin kantoaalto, laservalolähteen itsensä suorituskyky, kuten tehon vakaus, laserin viivanleveys, vaihekohina ja muut parametrit optisen kuidun tunnistusjärjestelmän tunnistusetäisyydellä, tunnistus tarkkuus, herkkyys ja meluominaisuudet ovat ratkaisevassa asemassa.Viime vuosina pitkän matkan ultrakorkearesoluutioisten optisten kuitutunnistusjärjestelmien kehityksen myötä tiedemaailma ja teollisuus ovat asettaneet tiukempia vaatimuksia laserin miniatyrisoinnin viivanleveyssuorituskyvylle, pääasiassa: optinen taajuusalueen heijastustekniikka (OFDR) käyttää koherenttia tunnistustekniikka optisten kuitujen backray-hajasignaalien analysoimiseksi taajuusalueella laajalla kattavuudella (tuhansia metrejä).Korkean resoluution (mmOFDR-tekniikan ydin on viritettävän valonlähteen käyttäminen optisen taajuuden virityksen saavuttamiseksi, joten laserlähteen suorituskyky määrittää keskeiset tekijät, kuten OFDR-tunnistusalueen, herkkyyden ja resoluution.Kun heijastuspisteen etäisyys on lähellä koherenssin pituutta, iskusignaalin intensiteetti vaimenee eksponentiaalisesti kertoimella τ/τc.Spektrimuotoisen Gaussin valonlähteen osalta, jotta varmistetaan, että lyöntitaajuudella on yli 90 %:n näkyvyys, valonlähteen viivanleveyden ja järjestelmän saavuttaman enimmäismittauspituuden välinen suhde on Lmax~0,04vg /f, mikä tarkoittaa, että 80 km pituisella kuidulla valonlähteen viivanleveys on alle 100 Hz.Lisäksi muiden sovellusten kehitys asetti myös korkeampia vaatimuksia valonlähteen viivanleveydelle.Esimerkiksi optisessa kuituhydrofonijärjestelmässä valonlähteen viivanleveys määrittää järjestelmän kohinan ja myös järjestelmän pienimmän mitattavissa olevan signaalin.Brillouinin optisessa aikaalueen heijastimessa (BOTDR) lämpötilan ja jännityksen mittausresoluutio määräytyy pääasiassa valonlähteen viivanleveyden mukaan.Resonaattorikuituoptisessa gyroskoopissa valon aallon koherenssipituutta voidaan kasvattaa pienentämällä valonlähteen viivan leveyttä, mikä parantaa resonaattorin hienoutta ja resonanssisyvyyttä, pienentää resonaattorin viivan leveyttä ja varmistaen mittauksen. valokuitugyron tarkkuus.
1.2 Vaatimukset pyyhkäisylaserlähteille
Yhden aallonpituuden pyyhkäisylaserilla on joustava aallonpituuden virityskyky, se voi korvata useita kiinteän aallonpituisia lasereita, vähentää järjestelmän rakentamisen kustannuksia, on välttämätön osa optisen kuidun tunnistusjärjestelmää.Esimerkiksi hivenkaasukuitutunnistuksessa erityyppisillä kaasuilla on erilaiset kaasun absorptiohuiput.Valon absorptiotehokkuuden varmistamiseksi mittauskaasun ollessa riittävä ja korkeamman mittausherkkyyden saavuttamiseksi on välttämätöntä kohdistaa läpäisevän valonlähteen aallonpituus kaasumolekyylin absorptiohuippuun.Tunnistettavan valonlähteen aallonpituus määrää olennaisesti sen kaasun tyypin, joka voidaan havaita.Siksi kapeilla viivanleveyksillä lasereilla, joilla on vakaa laajakaistaviritysteho, on suurempi mittausjoustavuus tällaisissa tunnistusjärjestelmissä.Esimerkiksi joissakin hajautetuissa optisen kuidun tunnistusjärjestelmissä, jotka perustuvat optiseen taajuusalueen heijastukseen, laseria on pyyhkäistävä nopeasti ajoittain optisten signaalien erittäin tarkan koherentin havaitsemisen ja demoduloinnin saavuttamiseksi, joten laserlähteen modulaationopeudella on suhteellisen korkeat vaatimukset. , ja säädettävän laserin pyyhkäisynopeuden vaaditaan yleensä saavuttamaan 10 pm/μs.Lisäksi aallonpituudella viritettävää kapeaa viivanleveyttä laseria voidaan käyttää laajalti myös liDAR-, laserkaukokartoitus- ja korkearesoluutioisessa spektrianalyysissä ja muissa tunnistuskentissä.Täyttääkseen yksiaallonpituisten lasereiden virityskaistanleveyden, viritystarkkuuden ja viritysnopeuden korkean suorituskyvyn vaatimukset kuitutunnistuksen alalla virittävien kapealeveisten kuitulaserien yleistavoitteena viime vuosina on saavuttaa korkea tarkkuusviritys suuremmalla aallonpituusalueella, joka perustuu erittäin kapeaan laserviivanleveyteen, erittäin alhaiseen vaihekohinaan ja erittäin vakaaseen lähtötaajuuteen ja tehoon.
1.3 Valkoisen laservalonlähteen kysyntä
Optisen havainnoinnin alalla korkealaatuisella valkoisen valon laserilla on suuri merkitys järjestelmän suorituskyvyn parantamisessa.Mitä laajempi valkoisen valon laserin spektrin kattavuus on, sitä laajempi on sen käyttö optisessa kuidun tunnistimessa.Esimerkiksi käytettäessä Fiber Bragg -hilaa (FBG) anturiverkon rakentamiseen, demodulointiin voidaan käyttää spektrianalyysiä tai viritettävän suodattimen sovitusmenetelmää.Edellinen käytti spektrometriä testaamaan suoraan jokaisen FBG-resonanssiaallonpituuden verkossa.Jälkimmäinen käyttää vertailusuodatinta FBG:n seuraamiseen ja kalibroimiseen tunnistuksessa, jotka molemmat vaativat laajakaistaisen valonlähteen FBG:n testivalolähteenä.Koska jokaisella FBG-liityntäverkolla on tietty lisäyshäviö ja sen kaistanleveys on yli 0,1 nm, usean FBG:n samanaikainen demodulointi vaatii laajakaistaisen valonlähteen, jolla on suuri teho ja suuri kaistanleveys.Esimerkiksi käytettäessä pitkäkestoista kuituhilaa (LPFG) havaitsemiseen, koska yhden häviöhuipun kaistanleveys on luokkaa 10 nm, tarvitaan laajaspektrinen valonlähde, jolla on riittävä kaistanleveys ja suhteellisen tasainen spektri, jotta sen resonanssi voidaan karakterisoida tarkasti. huippuominaisuudet.Erityisesti akusto-optista efektiä hyödyntämällä konstruoidulla akustisella kuiturillalla (AIFG) voidaan saavuttaa resonanssiaallonpituuden viritysalue jopa 1000 nm asti sähköisen virityksen avulla.Siksi dynaaminen hilatestaus tällaisella erittäin laajalla viritysalueella asettaa suuren haasteen laajaspektrin valonlähteen kaistanleveysalueelle.Samoin kallistettua Bragg-kuituritilää on viime vuosina käytetty laajasti myös kuitutunnistuksen alalla.Monihuippuvaimennusspektriominaisuuksiensa ansiosta aallonpituusjakauma voi yleensä olla 40 nm.Sen tunnistusmekanismina on yleensä verrata suhteellista liikettä useiden lähetyshuippujen välillä, joten sen siirtospektri on mitattava kokonaan.Laajaspektrisen valonlähteen kaistanleveyden ja tehon on oltava suurempi.
2. Tutkimusasema kotimaassa ja ulkomailla
2.1 Kapea viivanleveys laservalolähde
2.1.1 Kapea viivanleveys puolijohdelaser
Vuonna 2006 Cliche et al.pienensi puolijohteiden MHz-asteikkoaDFB laser(hajautettu takaisinkytkentälaser) kHz-asteikolla sähköistä takaisinkytkentämenetelmää käyttäen;Vuonna 2011 Kessler ym.käytetty matalan lämpötilan ja korkean stabiilisuuden yksikideontelo yhdistettynä aktiiviseen takaisinkytkennän ohjaukseen erittäin kapean linjanleveyden 40 MHz laserlähtöön saamiseksi;Vuonna 2013 Peng ym. saivat puolijohdelaserulostulon 15 kHz:n viivanleveydellä käyttämällä ulkoista Fabry-Perot (FP) -palautesäätömenetelmää.Sähköisessä takaisinkytkentämenetelmässä käytettiin pääasiassa Pond-Drever-Hall -taajuuden stabilointipalautetta valonlähteen laserviivan leveyden pienentämiseksi.Vuonna 2010 Bernhardi et al.tuotti 1 cm erbium-seostettua alumiinioksidia FBG:tä piioksidisubstraatille saadakseen laserulostulon, jonka linjan leveys oli noin 1,7 kHz.Samana vuonna Liang et ai.käytti takaisinpäin suuntautuvan Rayleigh-sironnan itseinjektiopalautetta, jonka muodostaa korkean Q-kaiun seinäresonaattori puolijohdelaser-viivanleveyskompressioon, kuten kuvassa 1 on esitetty, ja sai lopulta 160 Hz:n kapean viivanleveyden laserlähdön.
Kuva 1 (a) Kaavio puolijohdelaserin viivanleveyden pakkaamisesta ulkoisen kuiskaavan galleriamoodin resonaattorin itseinjektio-Rayleigh-sironnan perusteella;
(b) Vapaasti kulkevan puolijohdelaserin taajuusspektri linjanleveydellä 8 MHz;
(c) Laserin taajuusspektri, jonka viivanleveys on puristettu 160 Hz:iin
2.1.2 Kapea viivanleveys kuitulaser
Lineaaristen ontelokuitulaserien osalta kapea viivaleveys laserlähtö yksittäiselle pitkittäiselle moodille saadaan lyhentämällä resonaattorin pituutta ja suurentamalla pitkittäismuotoväliä.Vuonna 2004 Spiegelberg et al.sai yhden pitkittäismoodin kapean viivanleveyden laserulostulon 2 kHz:n viivanleveydellä käyttämällä DBR lyhytontelomenetelmää.Vuonna 2007 Shen et al.käytti 2 cm:n voimakkaasti erbium-seostettua piikuitua FBG:n kirjoittamiseen Bi-Ge-yhteisseostetulle valoherkälle kuidulle ja fuusii sen aktiivisen kuidun kanssa muodostaen kompaktin lineaarisen ontelon, jolloin sen laserlähtölinjan leveys oli alle 1 kHz.Vuonna 2010 Yang et al.käytti 2 cm pitkää erittäin seostettua lyhyttä lineaarista onteloa yhdistettynä kapeakaistaiseen FBG-suodattimeen saadakseen yhden pitkittäismuotoisen laserlähdön, jonka linjan leveys on alle 2 kHz.Vuonna 2014 ryhmä käytti lyhyttä lineaarista onteloa (virtuaalinen taitettu rengasresonaattori) yhdistettynä FBG-FP-suodattimeen saadakseen laserulostulon kapeamman viivanleveyden kanssa, kuten kuvassa 3 näkyy. Vuonna 2012 Cai et al.käytti 1,4 cm:n lyhyttä onkalorakennetta saadakseen polarisoivan laserulostulon, jonka lähtöteho on yli 114 mW, keskiaallonpituus 1540,3 nm ja linjan leveys 4,1 kHz.Vuonna 2013 Meng et al.käytti erbium-seostetun kuidun Brillouin-sironnaa täyden esijännityksen säilyttävän laitteen lyhyellä rengasontelolla saadakseen yksipitkittäisen tilan, matalavaiheisen kohinan laserlähdön, jonka lähtöteho on 10 mW.Vuonna 2015 tiimi käytti 45 cm:n erbium-seostetusta kuidusta koostuvaa rengasonteloa Brillouinin sirontavahvistusväliaineena saadakseen matalan kynnyksen ja kapean viivanleveyden laserulostulon.
Kuva 2 (a) Kaaviopiirros SLC-kuitulaserista;
(b) Heterodyne-signaalin viivamuoto mitattuna 97,6 km:n kuituviiveellä
Postitusaika: 20.11.2023