Laser Quell Technologie firoptesch Fasersensing Deel One
Optesch Faser Sensing Technologie ass eng Aart Sensing Technologie entwéckelt zesumme mat opteschen Léngen Technologie an optesch Léngen Kommunikatioun Technologie, an et ass eng vun den aktivsten Filialen vun photoelectric Technologie ginn. Optesch Faser Sensing System besteet haaptsächlech aus Laser, Transmissiounsfaser, Sensing Element oder Modulatiounsberäich, Liichterkennung an aner Deeler. D'Parameteren, déi d'Charakteristiken vun der Liichtwelle beschreiwen, beinhalt d'Intensitéit, d'Wellenlängt, d'Phase, d'Polariséierungszoustand, asw.. Dës Parameter kënnen duerch extern Aflëss an der optescher Fasertransmission geännert ginn. Zum Beispill, wann Temperatur, Belaaschtung, Drock, Stroum, Verschiebung, Schwéngung, Rotatioun, Béie a chemesch Quantitéit den opteschen Wee beaflossen, änneren dës Parameteren entspriechend. Optesch Faser Sensing baséiert op der Bezéiung tëscht dëse Parameteren an externe Faktoren fir déi entspriechend kierperlech Quantitéiten z'entdecken.
Et gi vill Zorte vuLaser Quellbenotzt an opteschen Faser Sensing Systemer, déi an zwou Kategorien ënnerdeelt kënne ginn: kohärentLaser Quellenan inkohärent Liichtquellen, inkohärentLiichtquellenenthalen haaptsächlech Glühwäin a Liichtdioden, a kohärent Liichtquellen enthalen zolidd Laser, flësseg Laser, Gaslaser,semiconductor LaseranLéngen Laser. Déi folgend ass haaptsächlech fir deLaser Liichtquellwäit benotzt am Beräich vun Léngen Sensing an de leschte Joeren: schmuel Linn Breet Single-Frequenz Laser, Single-Wellelängt Schweess Frequenz Laser a wäiss Laser.
1.1 Viraussetzunge fir schmuel linewidthLaser Liichtquellen
Optesch Faser Sensing System kann net vun der Laserquell getrennt ginn, well de gemoossene Signaldréier Liichtwelle, Laser Liichtquell selwer Leeschtung, wéi Kraaftstabilitéit, Laserlinnbreedung, Phasegeräischer an aner Parameteren op den opteschen Faser Sensing System Detektiounsdistanz, Detektioun Genauegkeet, Empfindlechkeet a Kaméidi Charakteristiken spillen eng entscheedend Roll. An de leschte Joren, mat der Entwécklung vun laang-Distanz ultra-héich Opléisung optesch Faser Sensing Systemer, Akademie an Industrie hunn méi streng Ufuerderunge fir d'Linewidth Leeschtung vun Laser Miniaturiséierung virgestallt, haaptsächlech an: optesch Frequenz Domain Reflexioun (OFDR) Technologie benotzt kohärent Detektiounstechnologie fir d'Backrayleigh verspreet Signaler vun opteschen Faseren am Frequenzberäich ze analyséieren, mat enger breeder Ofdeckung (Dausende vu Meter). D'Virdeeler vun héijer Opléisung (Millimeter-Niveau Resolutioun) an héich Empfindlechkeet (bis zu -100 dBm) sinn eng vun den Technologien mat breet Uwendungsperspektiven an verdeelt optesch Fasermiessung a Sensing Technologie ginn. De Kär vun der OFDR Technologie ass d'Benotzung vun tunable Liichtquelle fir optesch Frequenztuning z'erreechen, sou datt d'Leeschtung vun der Laserquell d'Schlësselfaktoren wéi OFDR Detektiounsberäich, Sensibilitéit an Opléisung bestëmmt. Wann d'Reflexiounspunktdistanz no bei der Kohärenzlängt ass, gëtt d'Intensitéit vum Schlagsignal exponentiell duerch de Koeffizient τ/τc ofgeschwächt. Fir eng Gaussesch Liichtquell mat enger spektraler Form, fir sécherzestellen datt d'Schlagfrequenz méi wéi 90% Visibilitéit huet, ass d'Relatioun tëscht der Linn Breet vun der Liichtquell an der maximaler Senséierlängt, déi de System erreechen kann, Lmax ~ 0,04vg /f, dat heescht datt fir eng Faser mat enger Längt vun 80 km d'Linnbreed vun der Liichtquell manner wéi 100 Hz ass. Zousätzlech huet d'Entwécklung vun aneren Uwendungen och méi héich Ufuerderunge fir d'Linnbreedung vun der Liichtquell virgestallt. Zum Beispill, am opteschen Glasfaser-Hydrophone-System, bestëmmt d'Linnbreedung vun der Liichtquelle de Systemrauschen a bestëmmt och de Minimum moossbare Signal vum System. Am Brillouin opteschen Zäitdomainreflektor (BOTDR) gëtt d'Messresolutioun vun Temperatur a Stress haaptsächlech vun der Linnebreet vun der Liichtquell bestëmmt. An engem Resonatorfaser-Gyro kann d'Kohärenzlängt vun der Liichtwelle erhéicht ginn andeems d'Linnbreed vun der Liichtquell reduzéiert gëtt, doduerch d'Feinheet an d'Resonanzdéift vum Resonator verbessert, d'Linnbreed vum Resonator reduzéiert an d'Messung garantéiert. Genauegkeet vum Glasfaser Gyro.
1.2 Viraussetzunge fir sweep Laser Quellen
Single Wellelängt Sweep Laser huet flexibel Wellelängt Tuning Leeschtung, kann Multiple Output fix Wellelängt Laser ersetzen, reduzéieren d'Käschte vun System Konstruktioun, ass en onverzichtbare Bestanddeel vun opteschen Faser Sensing System. Zum Beispill, an der Spuergasfaser Sensing, hunn verschidden Aarte vu Gase verschidde Gasabsorptiounspeaks. Fir d'Liichtabsorptiounseffizienz ze garantéieren wann de Miessgas genuch ass a méi héich Messempfindlechkeet z'erreechen, ass et néideg d'Wellelängt vun der Iwwerdroungslichtquell mat der Absorptiounspeak vum Gasmolekül auszegläichen. D'Aart vu Gas, deen erkannt ka ginn, gëtt am Wesentlechen duerch d'Wellelängt vun der sensibeler Liichtquell bestëmmt. Dofir, schmuel Linn Breet Laser mat stabil Breetband tuning Leeschtung méi Mooss Flexibilitéit an esou Sensing Systemer. Zum Beispill, an e puer verdeelt optesch Faser Sensing Systemer baséiert op opteschen Frequenz Domain Reflexioun, muss de Laser séier periodesch geschweest ginn fir héich Präzisioun kohärent Detektioun an Demodulatioun vun opteschen Signaler z'erreechen, sou datt d'Modulatiounsquote vun der Laserquell relativ héich Ufuerderungen huet. , an d'Sweepgeschwindegkeet vum justierbare Laser ass normalerweis erfuerderlech fir 10 pm / μs z'erreechen. Zousätzlech, kann de Wellelängt tunable schmuel Linn Breet Laser och wäit an liDAR benotzt ginn, Laser Remote Sensing an héich-Resolutioun Spektral Analyse an aner Sensing Felder. Fir d'Ufuerderunge vun héich performant Parameteren vun Tuning Bandbreedung, Tuning Genauegkeet an Tuning Geschwindegkeet vun Single-Wellenlängt Laser am Beräich vun Faser Sensing ze treffen, ass d'allgemeng Zil vun studéiert tunable schmuel-Breet Faser Laser an de leschte Joeren ze erreechen héich- Präzisioun Tuning an engem gréissere Wellelängteberäich op Basis vun der Verfollegung vun enger ultra-schmueler Laserlinnbreedung, ultra-niddereg Phasegeräischer, an ultrastabiler Ausgangsfrequenz a Kraaft.
1.3 Nofro fir wäiss Laser Liichtjoer Quell
Am Beräich vun der optescher Sensing ass héichwäerteg wäiss Liichtlaser vu grousser Bedeitung fir d'Performance vum System ze verbesseren. Wat méi breet de Spektrumdeckung vum wäisse Liichtlaser ass, wat méi extensiv ass seng Uwendung am opteschen Faser Sensing System. Zum Beispill, wann Dir Faser Bragg Gitter (FBG) benotzt fir e Sensornetz ze bauen, kann d'Spektralanalyse oder d'Stëmmbar Filter passende Method fir Demodulatioun benotzt ginn. Déi fréier huet e Spektrometer benotzt fir all FBG Resonanzwellelängt am Netz direkt ze testen. Déi lescht benotzt e Referenzfilter fir de FBG am Sensing ze verfolgen an ze kalibréieren, déi allebéid eng Breetbandliichtquell als Testlichtquell fir den FBG erfuerderen. Well all FBG Zouganksnetz e gewëssen Insertiounsverloscht huet an eng Bandbreedung vu méi wéi 0,1 nm huet, erfuerdert d'simultan Demodulatioun vu multiple FBG eng Breetbandliichtquell mat héijer Kraaft an héijer Bandbreedung. Zum Beispill, wann Dir laangfristeg Fasergitter (LPFG) fir Senséiere benotzt, well d'Bandbreedung vun engem eenzege Verloschtpeak an der Uerdnung vun 10 nm ass, ass eng breet Spektrum Liichtquell mat genuch Bandbreedung a relativ flaache Spektrum erfuerderlech fir seng Resonanz präzis ze charakteriséieren. peak Charakteristiken. Besonnesch, akustesch Fasergitter (AIFG) konstruéiert andeems en akusto-opteschen Effekt benotzt gëtt, kann en Ofstëmmungsberäich vun der Resonanzwellelängt bis zu 1000 nm duerch elektresch Tuning erreechen. Dofir stellt dynamesch Gitterprüfung mat sou engem ultra-breeten Tuningberäich eng grouss Erausfuerderung fir d'Bandbreedungsberäich vun enger breetspektrum Liichtquell. Ähnlech, an de leschte Joeren, gekippte Bragg Fasergitter gouf och vill am Beräich vun der Faser Sensing benotzt. Wéinst senge Multi-Peak Verloscht Spektrum Charakteristiken, kann de Wellelängt Verdeelung Gamme normalerweis 40 nm erreechen. Säi Sensemechanismus ass normalerweis d'relativ Bewegung tëscht multiple Iwwerdroungspeaks ze vergläichen, also ass et néideg fir säin Iwwerdroungsspektrum komplett ze moossen. D'Bandbreedung an d'Kraaft vun der breet Spektrum Liichtquell musse méi héich sinn.
2. Fuerschung Status doheem an am Ausland
2.1 Schmuel linewidth Laser Liichtjoer Quell
2.1.1 Schmuel linewidth semiconductor verdeelt Feedback Laser
2006, Cliche et al. reduzéiert d'MHz Skala vum HalbleiterDFB Laser(verdeelt Feedback Laser) zu kHz Skala benotzt elektresch Feedback Method; 2011, Kessler et al. benotzt niddereg Temperatur an héich Stabilitéit Single Kristallsglas produzéiert Kavitéit kombinéiert mat aktiv Feedback Kontroll ultra-schmuel linewidth Laser Wasserstoff vun 40 MHz ze kréien; Am 2013 kruten Peng et al e Halbleiter Laseroutput mat enger Linnbreedung vu 15 kHz mat der Method vun externer Fabry-Perot (FP) Feedback Upassung. Déi elektresch Feedback-Methode huet haaptsächlech de Pond-Drever-Hall Frequenzstabiliséierungsfeedback benotzt fir d'Laserlinnbreedung vun der Liichtquell ze reduzéieren. 2010, Bernhardi et al. produzéiert 1 cm Erbium-dotéiert Alumina FBG op engem Siliziumoxid-Substrat fir e Laserausgang mat enger Linn Breet vu ronn 1,7 kHz ze kréien. Am selwechte Joer, Liang et al. benotzt der Self-Injektioun Feedback vun zréck Rayleigh Streuung geformt vun engem héich-Q Echo Mauer resonator fir semiconductor Laser Linn Breet Kompressioun, wéi an der Figur 1 gewisen, a kritt endlech eng schmuel Linn Breet Laser Wasserstoff 160 Hz.
Figur 1 (eng) Diagramm vun semiconductor Laser linewidth Kompressor baséiert op der Self-Injektioun Rayleigh Streuung vun externen whispering Galerie Modus Resonator;
(b) Frequenz Spektrum vun der fräi Lafen Halbleiter Laser mat Linn Breet vun 8 MHz;
(c) Frequenz Spektrum vun der Laser mat linewidth kompriméiert op 160 Hz
2.1.2 Schmuel linewidth Léngen Laser
Fir linear Kavitéitfaserlaser gëtt de schmuele Linnebreet-Laseroutput vum eenzege Längsmodus kritt andeems d'Längt vum Resonator verkierzt gëtt an de Längsmodusintervall erhéicht. 2004, Spiegelberg et al. kritt eng eenzeg longitudinal Modus schmuel linewidth Laser Wasserstoff mat enger linewidth pa 2 kHz vun benotzt DBR kuerz Kavitéit Method. 2007, Schen et al. benotzt eng 2 cm schwéier erbium-dotéiert Siliziumfaser fir FBG op eng Bi-Ge co-dotéiert fotosensibel Faser ze schreiwen, a fusionéiert et mat enger aktiver Faser fir eng kompakt linear Kavitéit ze bilden, wat seng Laserausgangslinnbreet manner wéi 1 kHz mécht. 2010, Yang et al. benotzt eng 2cm héich dotéiert kuerz linear Kavitéit kombinéiert mat engem schmuelband FBG Filter fir eng eenzeg longitudinal Modus Laser Wasserstoff mat enger Linn Breet vun manner wéi 2 kHz ze kréien. Am 2014 huet d'Team eng kuerz linear Kavitéit benotzt (virtuell gefaltet Ringresonator) kombinéiert mat engem FBG-FP-Filter fir e Laserausgang mat enger méi schmueler Linn Breet ze kréien, wéi an der Figur 3. Am 2012, Cai et al. benotzt eng 1,4cm kuerz Kavitéitsstruktur fir e polariséierende Laserausgang mat enger Ausgangskraaft méi wéi 114 mW, enger zentraler Wellelängt vun 1540,3 nm an enger Linn Breet vun 4,1 kHz ze kréien. 2013, Meng et al. benotzt Brillouin Streuung vun erbium-dotéiert Léngen mat engem kuerzen Ring Kavitéit vun engem voll-bias Konservéierungsapparat fir eng Single-longitudinal Modus ze kréien, niddereg-Phase Kaméidi Laser Wasserstoff mat engem Wasserstoff Muecht pa 10 mW. Am 2015 huet d'Team e Ringhuelraum benotzt, besteet aus 45 cm erbium-dotéierter Faser als de Brillouin-Streuungsgewinnmedium fir eng niddereg Schwell a schmuel Linnebreet Laseroutput ze kréien.
Fig. 2 (a) Schematesch Zeechnen vun der SLC Léngen Laser;
(b) Lineshape vum heterodyne Signal gemooss mat 97,6 km Faserverzögerung
Post Zäit: Nov-20-2023