Laserallikatehnoloogiaoptiline kiudEsimene osa tundmine
Optiline kiudainetehnoloogia on omamoodi sensoortehnoloogia, mis on välja töötatud koos optilise kiudainetehnoloogia ja optilise kiudude kommunikatsioonitehnoloogiaga ning sellest on saanud fotoelektrilise tehnoloogia üks aktiivsemaid harusid. Optiline kiudainete sensorisüsteem koosneb peamiselt laserist, ülekandekiust, sensori elemendist või modulatsioonipiirkonnast, valguse tuvastamisest ja muudest osadest. Valguslaine omadusi kirjeldavad parameetrid hõlmavad intensiivsust, lainepikkust, faasi, polarisatsiooni olekut jne. Neid parameetreid võib muuta optiliste kiudude ülekande väliste mõjude abil. Näiteks kui temperatuur, pinge, rõhk, vool, nihke, vibratsioon, pöörlemine, painutamine ja keemiline kogus mõjutavad optilist teed, muutuvad need parameetrid vastavalt. Optiline kiudainetunnetus põhineb nende parameetrite ja väliste tegurite vahelisel seosel vastavate füüsikaliste koguste tuvastamiseks.
Seal on mitut tüüpilaserallikasKasutatakse optiliste kiudainete tuvastamise süsteemides, mille võib jagada kahte kategooriasse: siduslaserallikadja ebajärjekindlad valgusallikad, ebajärjekindladvalgusallikadhõlmavad peamiselt hõõglambi ja valgust kiirgavaid dioode ning sidusate valgusallikate hulka kuuluvad tahked laserid, vedelad laserid, gaasi laserid,pooljuhtide laserjakiudaine. Järgmine on peamiseltlaservalgusallikaslaialdaselt kasutatud kiudainete sensori valdkonnas viimastel aastatel: kitsa joonelaiuse ühe sagedusega laseriga, ühe lainepikkusega pühkimissageduslaser ja valge laseriga.
1.1 Nõuded kitsa liinilaiuse jaokslaservalguseallikad
Optilise kiudude sensorisüsteemi ei saa laserallikast eraldada, kuna mõõdetud signaali kandja valguse laine, laservalguse allika ise, näiteks võimsuse stabiilsus, laserjoone laius, faasmüra ja muud parameetrid optilise kiudude tuvastamise vahemaa, tuvastamise täpsus, tundlikkus ja tundlikkus. Viimastel aastatel on pikamaa-ülitähtsa eraldusvõimega optiliste kiudainete sensorisüsteemide, akadeemiliste akadeemiliste ja tööstuse väljatöötamine esitanud rangemad nõuded laser-miniaturiseerimise realaiuse jõudlusele, peamiselt: optilise sageduse domeeni peegelduse (OFDR) kasutab sidusaid tuvastustehnoloogiaid, et analüüsida laiad hajutatud signaalid optiliste fiberitega), mis on optiliste fibersidega. Kõrge eraldusvõime (millimeetri taseme eraldusvõime) ja kõrge tundlikkuse (kuni -100 dBm) eelised on muutunud üheks tehnoloogiaks, millel on laiaulatuslikud rakenduse väljavaated hajutatud optiliste kiudude mõõtmise ja sensoride tehnoloogias. OFDR -tehnoloogia tuum on optilise sageduse häälestamiseks häälestatava valgusallika kasutamine, seega määrab laseriallika jõudlus sellised peamised tegurid nagu OFDR -i tuvastamise vahemik, tundlikkus ja eraldusvõime. Kui peegelduspunkti kaugus on koherentsuse pikkusele lähedal, nõrgendab koefitsient τ/τc eksponentsiaalselt löögisignaali intensiivsust. Gaussi valgusallika puhul, millel on spektraalkuju, tagamaks, et löögisageduse nähtavus on enam kui 90%, on valgusallika joonelaiuse ja maksimaalse sensori pikkuse seos, mida süsteem saavutab, Lmax ~ 0,04VG/F, mis tähendab, et kiudude pikkus on 80 km, valgusallika joonelaius on väiksem kui 100 Hz. Lisaks esitab muude rakenduste väljatöötamine ka kõrgemaid nõudeid valgusallika liinikohale. Näiteks määrab optilise kiudude hüdrofonisüsteemis valgusallika joonelaius süsteemi müra ja määrab ka süsteemi minimaalse mõõdetava signaali. Brillouini optilise aja domeeni reflektoris (BOTDR) määrab temperatuuri ja pinge mõõtmise eraldusvõime peamiselt valgusallika liinikohaga. Resonaatori kiudoptilise güroo korral saab valguse sidususe pikkust suurendada, vähendades valgusallika joonelaiust, parandades sellega resonaatori peenust ja resonantsi sügavust, vähendades resonaatori joonelaiust ja tagades kiudoptilise güroo mõõtmise täpsuse.
1.2 Laserallikate pühkimisnõuded
Ühe lainepikkusega pühkimislaser on paindlikul lainepikkuse häälestamise jõudlusel, see võib asendada mitut väljundiga fikseeritud lainepikkusega laserit, vähendada süsteemi ehituse kulusid, on optilise kiudainete tuvastamise süsteemi asendamatu osa. Näiteks gaasi kiudainete tuvastamise korral on erinevatel gaasidel erinevad gaasi imendumise piigid. Valguse neeldumise efektiivsuse tagamiseks, kui mõõtegaas on piisav ja saavutada kõrgem mõõtmistundlikkus, on vaja joondada ülekande valgusallika lainepikkus gaasimolekuli neeldumispiigiga. Gaasi tüübi, mida saab tuvastada, määratakse sisuliselt sensori valgusallika lainepikkuse abil. Seetõttu on stabiilse lairiba häälestamisvõimega kitsastel joonelaistel kõrgem mõõtmine sellistes sensorisüsteemides. Näiteks mõnes hajutatud optilise kiudainega sensorisüsteemides, mis põhinevad optilise sagedusdomeeni peegeldusel, tuleb laser kiiresti perioodiliselt pühkida, et saavutada optiliste signaalide ülitäpne sidus ja demodulatsioon, seega on laserallika modulatsiooni kiirusel suhteliselt suured nõuded ja reguleeritava laser pühkimiskiirus on tavaliselt vaja, et jõuda 10 pm/μs. Lisaks saab lainepikkusega häälestatava kitsa liinilaiuse laser kasutada laialdaselt ka lidaris, laser kaugseire ja kõrgresolutsiooniga spektraalses analüüsis ja muudes sensoriiväljades. Ühe lainelaiuse häälestamise, häälestamise täpsuse ja häälestamiskiiruse kõrge jõudlusega parameetrite nõuete täitmiseks kiudainete tuvastamise valdkonnas on viimastel aastatel häälestatavate kitsaste laiustega kiudainete uurimise üldine eesmärk saavutada kõrgel kohal oleva lainepikkuse ulatus, mis on ülitäpse ja ultra-line-linei alusel suuremas lainepikkuses. sagedus ja võim.
1.3 Nõudlus valge laservalgusallika järele
Optilise sensori valdkonnas on kvaliteetse valge valguse laser süsteemi jõudluse parandamiseks suurt tähtsust. Mida laiem on valge valguse laseri spektri katvus, seda ulatuslikum selle kasutamine optiliste kiudainete tuvastamise süsteemis. Näiteks võib demodulatsiooniks kasutada kiud Bragg -resti (FBG) kasutamisel andurivõrgu konstrueerimiseks või häälestatava filtri sobitamise meetodit. Esimene kasutas spektromeetrit, et otse testida iga FBG resonantslainepikkust võrgus. Viimane kasutab FBG jälgimiseks ja kalibreerimiseks võrdlusfiltrit, mis mõlemad vajavad FBG katsevalgusallikana lairibavalgust. Kuna igal FBG juurdepääsuvõrgustikul on teatav sisestuskaotus ja ribalaius on üle 0,1 nm, nõuab mitme FBG samaaegne demodulatsioon lairibavalgust, millel on suur võimsus ja suure ribalaiusega. Näiteks kui kasutate pikka aega kiudude resti (LPFG) tundmiseks, kuna ühe kaotuse piigi ribalaius on 10 nm, on selle resonantide piigi iseloomulike iseloomude täpseks iseloomustamiseks vajalik piisav ribalaiusega ja suhteliselt tasane spekter, millel on piisav spektri valgusallikas. Eelkõige võib akustilise kiudude restimine (AIFG), kasutades akusto-optilist efekti, saavutada resonantslainepikkuse häälestamisvahemikku kuni 1000 nm elektrilise häälestamise abil. Seetõttu on sellise ülikerge häälestamisvahemikuga dünaamiline restide testimine suur väljakutse laia spektri valgusallika ribalaiuse vahemikule. Sarnaselt on viimastel aastatel kallutatud Braggi kiudainete ristimist laialdaselt kasutatud ka kiudainete tuvastamise valdkonnas. Oma mitme tipptasemel kadude spektri karakteristikute tõttu võib lainepikkuse jaotusvahemik tavaliselt ulatuda 40 nm-ni. Selle sensorimehhanism on tavaliselt võrdleda suhtelist liikumist mitme ülekandepiigi vahel, seetõttu on vaja selle ülekandespektrit täielikult mõõta. Laia spektri valgusallika ribalaius ja võimsus peavad olema kõrgemad.
2. uurimistöö staatus kodu- ja välismaal
2.1 kitsas liinilaius laservalgusallikas
2.1.1 kitsas liinilaius pooljuht jaotatud tagasiside laseriga
2006. aastal Cliche jt. vähendas pooljuhtide MHz skaalatDFB -laser(jaotatud tagasiside laser) kHz skaalale, kasutades elektrilise tagasiside meetodit; 2011. aastal olid Kessler jt. kasutatud madala temperatuuriga ja kõrge stabiilsusega ühe kristallõõnega koos aktiivse tagasiside juhtimisega, et saada ülikerge liinilaius laseri väljund 40 MHz; 2013. aastal said Peng jt pooljuhtide laserväljundi 15 kHz liinilaiusega, kasutades välise Fabry-PORT (FP) tagasiside reguleerimise meetodit. Elektrilise tagasiside meetodil kasutati peamiselt tiigi-drever-halli sageduse stabiliseerimise tagasisidet, et muuta valgusallika laserjoone laiust. 2010. aastal olid Bernhardi jt. Toodeti silikoonoksiidi substraadil 1 cm erbium-legeeritud alumiiniumoksiidi FBG, et saada laserväljal, mille joonelaius on umbes 1,7 kHz. Samal aastal on Liang jt. Kasutas pooljuhtide laserjoone liinilaiuse kokkusurumiseks moodustatud kõrge-q kajaseina resonaatori poolt moodustatud tagurpidi rayleigh-hajumise tagasisidet, nagu on näidatud joonisel 1, ja sai lõpuks kitsa joonelaiuse laser väljundi 160 Hz.
Joonis 1 (a) Pooljuhtide laserjoone laiuse kokkusurumise skeem, mis põhineb välise sosistava galeriirežiimi resonaatori enesesisestumise rayleigh hajumisel;
b) vaba töötava pooljuhtide laseri sagedusspekter, mille joonelaius on 8 MHz;
c) Laseri sagedusspekter, mille liinilaius on kokku surutud 160 Hz
2.1.2 kitsas liinilaius kiudlaser
Lineaarse õõnsuskiu laserite puhul saadakse ühe pikisuunalise režiimi kitsas joonelaius laser väljund, lühendades resonaatori pikkust ja suurendades pikisuunalist režiimi intervalli. 2004. aastal Spiegelberg jt. Saadud ühe pikisuunalise režiimi kitsas joonelaiuse laserväljundiga 2 kHz realaiusega, kasutades DBR -i lühikest õõnsuse meetodit. 2007. aastal Shen jt. kasutas 2 cm tugevalt erbiumiga legeeritud ränikiudu, et kirjutada FBG Bi-GE-le legeeritud valgustundlik kiu ja sulandus selle aktiivse kiuga, et moodustada kompaktne lineaarne õõnsus, muutes selle laseri väljundjoone laiuseks vähem kui 1 kHz. 2010. aastal olid Yang jt. Kasutas 2cm kõrge legeeritud lühikest lineaarset õõnsust koos kitsa riba FBG -filtriga, et saada ühe pikisuunalise režiimi laseri väljund, mille joonelaius on alla 2 kHz. 2014. aastal kasutas meeskond lühikest lineaarset õõnsust (virtuaalse volditud rõngaresonaator) koos FBG-FP-filtriga, et saada kitsama joone laiusega laserväljund, nagu on näidatud joonisel 3. 2012. aastal Cai jt. kasutas 1,4 cm pikkust lühikest õõnsuse struktuuri, et saada polariseeriv laserväljund, mille väljundvõimsus on suurem kui 114 MW, keskne lainepikkus 1540,3 nm ja joone laius 4,1 kHz. 2013. aastal olid Meng jt. Kasutatud erbiumiga legeeritud kiudainete Brillouini hajumine koos täisperioodiga säilitava seadme lühikese rõngaõõnega, et saada ühe pikkusega režiim, madala faasiga müra laserväljund väljundvõimsusega 10 MW. 2015. aastal kasutas meeskond rõngaõõnsust, mis koosnes 45 cm erbiumiga legeeritud kiudainest, kuna Brillouini hajumise keskkond, et saada madal lävi ja kitsas joonelaius laserväljund.
Joonis 2 (a) SLC -kiudlaseri skemaatiline joonis;
(b) Heterodüüni signaali liinieshape, mõõdetuna 97,6 km km kiu viivitusega
Postiaeg: 20. november 20123