Téhnologi sumber laser pikeunserat optikngaraosan Bagian Hiji
Téhnologi panginderaan serat optik nyaéta salah sahiji téknologi panginderaan anu dimekarkeun bareng jeung téknologi serat optik jeung téknologi komunikasi serat optik, sarta geus jadi salah sahiji cabang téknologi fotoéléktrik anu pangaktifna. Sistem panginderaan serat optik utamana diwangun ku laser, serat transmisi, unsur panginderaan atawa daérah modulasi, deteksi cahaya jeung bagian séjénna. Parameter anu ngajelaskeun karakteristik gelombang cahaya ngawengku inténsitas, panjang gelombang, fase, kaayaan polarisasi, jsb. Parameter ieu bisa robah ku pangaruh éksternal dina transmisi serat optik. Contona, nalika suhu, galur, tekanan, arus, pamindahan, geteran, rotasi, lenturan jeung kuantitas kimia mangaruhan jalur optik, parameter ieu robah sacara saluyu. Panginderaan serat optik dumasar kana hubungan antara parameter ieu jeung faktor éksternal pikeun ngadeteksi kuantitas fisik anu saluyu.
Aya seueur jinissumber laserdianggo dina sistem sensing serat optik, anu tiasa dibagi kana dua kategori: koherensumber laserjeung sumber cahaya anu teu koheren, teu koherensumber cahayautamana ngawengku cahaya pijar sareng dioda pemancar cahaya, sareng sumber cahaya koheren ngawengku laser padet, laser cair, laser gas,laser semikonduktorjeunglaser serat. Di handap ieu utamina kanggosumber cahaya laserloba dipaké dina widang sensing serat dina sababaraha taun ka pengker: laser frékuénsi tunggal lébar garis sempit, laser frékuénsi sapuan panjang gelombang tunggal sareng laser bodas.
1.1 Sarat pikeun lébar garis anu heureutsumber cahaya laser
Sistem panginderaan serat optik teu tiasa dipisahkeun tina sumber laser, sabab gelombang cahaya pamawa sinyal anu diukur, kinerja sumber cahaya laser éta sorangan, sapertos stabilitas daya, linewidth laser, noise fase sareng parameter sanés dina jarak deteksi sistem panginderaan serat optik, akurasi deteksi, sensitivitas sareng karakteristik noise maénkeun peran anu penting. Dina sababaraha taun ka pengker, kalayan kamekaran sistem panginderaan serat optik résolusi ultra-luhur jarak jauh, akademisi sareng industri parantos ngajukeun sarat anu langkung ketat pikeun kinerja linewidth miniaturisasi laser, utamina dina: téknologi pantulan domain frékuénsi optik (OFDR) nganggo téknologi deteksi koheren pikeun nganalisis sinyal serat optik anu sumebar dina domain frékuénsi, kalayan jangkauan anu lega (rébuan méter). Kaunggulan résolusi luhur (résolusi tingkat miliméter) sareng sensitivitas anu luhur (dugi ka -100 dBm) parantos janten salah sahiji téknologi kalayan prospek aplikasi anu lega dina téknologi pangukuran sareng panginderaan serat optik anu disebarkeun. Inti téknologi OFDR nyaéta nganggo sumber cahaya anu tiasa diatur pikeun ngahontal tuning frékuénsi optik, janten kinerja sumber laser nangtukeun faktor konci sapertos rentang deteksi OFDR, sensitivitas sareng résolusi. Nalika jarak titik pantulan caket kana panjang koherensi, inténsitas sinyal ketukan bakal dilemahkeun sacara éksponénsial ku koéfisién τ/τc. Pikeun sumber cahaya Gaussian anu bentukna spéktral, pikeun mastikeun yén frékuénsi ketukan gaduh pisibilitas langkung ti 90%, hubungan antara lébar garis sumber cahaya sareng panjang sensing maksimum anu tiasa kahontal ku sistem nyaéta Lmax ~ 0.04vg/f, anu hartosna pikeun serat anu panjangna 80 km, lébar garis sumber cahaya kirang ti 100 Hz. Salian ti éta, pamekaran aplikasi sanés ogé ngajukeun sarat anu langkung luhur pikeun lébar garis sumber cahaya. Salaku conto, dina sistem hidrofon serat optik, lébar garis sumber cahaya nangtukeun noise sistem sareng ogé nangtukeun sinyal minimum anu tiasa diukur tina sistem. Dina réfléktor domain waktos optik Brillouin (BOTDR), résolusi pangukuran suhu sareng setrés utamina ditangtukeun ku lébar garis sumber cahaya. Dina giro serat optik resonator, panjang koherensi gelombang cahaya tiasa ditingkatkeun ku cara ngirangan lébar garis sumber cahaya, sahingga ningkatkeun kahalusan sareng jerona résonansi resonator, ngirangan lébar garis resonator, sareng mastikeun akurasi pangukuran giro serat optik.
1.2 Sarat pikeun sumber laser sapuan
Laser sapuan panjang gelombang tunggal mibanda kinerja tuning panjang gelombang anu fleksibel, tiasa ngagentos laser panjang gelombang tetep sababaraha kaluaran, ngirangan biaya konstruksi sistem, mangrupikeun bagian anu teu tiasa dipisahkeun tina sistem sensing serat optik. Salaku conto, dina sensing serat gas renik, rupa-rupa gas ngagaduhan puncak panyerepan gas anu béda. Pikeun mastikeun efisiensi panyerepan cahaya nalika gas pangukuran cekap sareng ngahontal sensitivitas pangukuran anu langkung luhur, perlu pikeun nyaluyukeun panjang gelombang sumber cahaya transmisi sareng puncak panyerepan molekul gas. Jenis gas anu tiasa dideteksi sacara dasarna ditangtukeun ku panjang gelombang sumber cahaya sensing. Ku alatan éta, laser linewidth sempit kalayan kinerja tuning broadband anu stabil ngagaduhan kalenturan pangukuran anu langkung luhur dina sistem sensing sapertos kitu. Salaku conto, dina sababaraha sistem sensing serat optik anu disebarkeun dumasar kana pantulan domain frékuénsi optik, laser kedah disapu gancang sacara périodik pikeun ngahontal deteksi koheren presisi tinggi sareng demodulasi sinyal optik, janten laju modulasi sumber laser ngagaduhan sarat anu relatif luhur, sareng kecepatan sapuan laser anu tiasa disaluyukeun biasana diperyogikeun ngahontal 10 pm/μs. Salian ti éta, laser width line sempit anu tiasa diatur panjang gelombang ogé tiasa seueur dianggo dina liDAR, panginderaan jauh laser sareng analisis spéktral résolusi tinggi sareng widang panginderaan sanésna. Pikeun minuhan sarat parameter kinerja tinggi tina bandwidth tuning, akurasi tuning sareng kecepatan tuning laser panjang gelombang tunggal dina widang panginderaan serat, tujuan umum tina nalungtik laser serat width sempit anu tiasa diatur dina sababaraha taun ka pengker nyaéta pikeun ngahontal tuning presisi tinggi dina rentang panjang gelombang anu langkung ageung dumasar kana ngudag width laser ultra-sempit, noise fase ultra-rendah, sareng frékuénsi sareng kakuatan kaluaran ultra-stabil.
1.3 Paménta pikeun sumber cahaya laser bodas
Dina widang panginderaan optik, laser cahaya bodas kualitas luhur penting pisan pikeun ningkatkeun kinerja sistem. Beuki lega jangkauan spéktrum laser cahaya bodas, beuki lega aplikasi na dina sistem panginderaan serat optik. Salaku conto, nalika nganggo grating serat Bragg (FBG) pikeun ngawangun jaringan sensor, analisis spéktral atanapi metode cocog filter anu tiasa diatur tiasa dianggo pikeun demodulasi. Anu kahiji nganggo spéktrométer pikeun nguji langsung unggal panjang gelombang résonansi FBG dina jaringan. Anu kadua nganggo filter rujukan pikeun ngalacak sareng ngalibrasi FBG dina panginderaan, duanana meryogikeun sumber cahaya broadband salaku sumber cahaya uji pikeun FBG. Kusabab unggal jaringan aksés FBG bakal gaduh rugi sisipan anu tangtu, sareng gaduh bandwidth langkung ti 0,1 nm, demodulasi simultan tina sababaraha FBG meryogikeun sumber cahaya broadband kalayan kakuatan anu luhur sareng bandwidth anu luhur. Contona, nalika nganggo grating serat période panjang (LPFG) pikeun sensing, kumargi bandwidth puncak rugi tunggal aya dina urutan 10 nm, sumber cahaya spéktrum lega kalayan bandwidth anu cekap sareng spéktrum anu relatif datar diperyogikeun pikeun sacara akurat ngacirikeun karakteristik puncak résonansina. Khususna, grating serat akustik (AIFG) anu didamel ku cara ngamangpaatkeun pangaruh akusto-optik tiasa ngahontal rentang tuning panjang gelombang résonansi dugi ka 1000 nm ku cara tuning listrik. Ku alatan éta, uji grating dinamis kalayan rentang tuning ultra-lega sapertos kitu mangrupikeun tantangan anu ageung pikeun rentang bandwidth sumber cahaya spéktrum lega. Nya kitu, dina sababaraha taun ka pengker, grating serat Bragg anu miring ogé parantos seueur dianggo dina widang sensing serat. Kusabab karakteristik spéktrum rugi multi-puncakna, rentang distribusi panjang gelombang biasana tiasa ngahontal 40 nm. Mékanisme sensingna biasana pikeun ngabandingkeun gerakan relatif di antara sababaraha puncak transmisi, janten perlu pikeun ngukur spéktrum transmisina sacara lengkep. Bandwidth sareng kakuatan sumber cahaya spéktrum lega diperyogikeun langkung luhur.
2. Status panalungtikan di jero sareng di luar negeri
2.1 Sumber cahaya laser lébar garis anu sempit
2.1.1 Laser eupan balik semikonduktor anu disebarkeun ku lébar garis sempit
Dina taun 2006, Cliche et al. ngirangan skala MHz semikonduktorLaser DFB(laser eupan balik anu disebarkeun) kana skala kHz nganggo metode eupan balik listrik; Dina taun 2011, Kessler et al. nganggo rongga kristal tunggal suhu rendah sareng stabilitas tinggi digabungkeun sareng kontrol eupan balik aktif pikeun kéngingkeun kaluaran laser linewidth ultra-sempit 40 MHz; Dina taun 2013, Peng et al kéngingkeun kaluaran laser semikonduktor kalayan linewidth 15 kHz ku ngagunakeun metode panyesuaian eupan balik Fabry-Perot (FP) éksternal. Métode eupan balik listrik utamina nganggo eupan balik stabilisasi frékuénsi Pond-Drever-Hall pikeun ngajantenkeun linewidth laser tina sumber cahaya dikirangan. Dina taun 2010, Bernhardi et al. ngahasilkeun 1 cm alumina FBG anu didoping erbium dina substrat silikon oksida pikeun kéngingkeun kaluaran laser kalayan lébar garis sakitar 1,7 kHz. Dina taun anu sami, Liang et al. ngagunakeun eupan balik injeksi mandiri tina hamburan Rayleigh mundur anu dibentuk ku resonator témbok gema Q-luhur pikeun komprési lébar garis laser semikonduktor, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 1, sareng pamustunganana kéngingkeun kaluaran laser lébar garis anu sempit 160 Hz.
Gambar 1 (a) Diagram komprési lébar garis laser semikonduktor dumasar kana hamburan Rayleigh injeksi mandiri tina resonator mode galeri bisikan éksternal;
(b) Spéktrum frékuénsi laser semikonduktor anu ngajalankeun bébas kalayan lébar garis 8 MHz;
(c) Spéktrum frékuénsi laser kalayan lébar garis anu dikomprés dugi ka 160 Hz
2.1.2 Laser serat lébar garis sempit
Pikeun laser serat rongga linier, kaluaran laser linewidth sempit tina mode longitudinal tunggal diala ku cara ngirangan panjang resonator sareng ningkatkeun interval mode longitudinal. Dina taun 2004, Spiegelberg et al. kéngingkeun kaluaran laser linewidth sempit mode longitudinal tunggal kalayan linewidth 2 kHz ku cara nganggo metode rongga pondok DBR. Dina taun 2007, Shen et al. nganggo serat silikon 2 cm anu didoping erbium beurat pikeun nyerat FBG dina serat fotosensitif anu didoping Bi-Ge, sareng ngahijikeunana sareng serat aktif pikeun ngabentuk rongga linier anu kompak, ngajantenkeun lebar jalur kaluaran laserna kirang ti 1 kHz. Dina taun 2010, Yang et al. nganggo rongga linier pondok 2 cm anu didoping pisan digabungkeun sareng filter FBG pita sempit pikeun kéngingkeun kaluaran laser mode longitudinal tunggal kalayan lebar jalur kirang ti 2 kHz. Dina taun 2014, tim ieu nganggo rongga linier pondok (resonator cingcin anu dilipat virtual) anu digabungkeun sareng filter FBG-FP pikeun kéngingkeun kaluaran laser kalayan lébar garis anu langkung heureut, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 3. Dina taun 2012, Cai et al. nganggo struktur rongga pondok 1,4cm pikeun kéngingkeun kaluaran laser polarisasi kalayan kakuatan kaluaran anu langkung ageung tibatan 114 mW, panjang gelombang pusat 1540,3 nm, sareng lébar garis 4,1 kHz. Dina taun 2013, Meng et al. nganggo hamburan Brillouin tina serat anu didoping erbium kalayan rongga cingcin pondok tina alat pengawet bias pinuh pikeun kéngingkeun kaluaran laser noise fase rendah mode longitudinal tunggal kalayan kakuatan kaluaran 10 mW. Dina taun 2015, tim ieu nganggo rongga cingcin anu diwangun ku serat anu didoping erbium 45 cm salaku média gain hamburan Brillouin pikeun kéngingkeun ambang handap sareng kaluaran laser lébar garis anu heureut.
Gambar 2 (a) Gambar skematis laser serat SLC;
(b) Bentuk garis sinyal heterodyne diukur ku reureuh serat 97,6 km
Waktos posting: 20-Nop-2023