Laser tinubdan teknolohiya alang saoptical fiberpagbati sa Unang Bahin
Optical fiber sensing teknolohiya mao ang usa ka matang sa sensing teknolohiya naugmad uban sa optical fiber teknolohiya ug optical fiber komunikasyon teknolohiya, ug kini nahimong usa sa labing aktibo nga mga sanga sa photoelectric teknolohiya. Ang Optical fiber sensing system nag-una nga gilangkoban sa laser, transmission fiber, sensing element o modulation area, light detection ug uban pang mga bahin. Ang mga parameter nga naghulagway sa mga kinaiya sa light wave naglakip sa intensity, wavelength, phase, polarization state, ug uban pa. Kini nga mga parameter mahimong mausab pinaagi sa eksternal nga mga impluwensya sa optical fiber transmission. Pananglitan, kung ang temperatura, pilay, presyur, kasamtangan, pagbalhin, vibration, rotation, bending ug kemikal nga gidaghanon makaapekto sa optical path, kini nga mga parameter nagbag-o nga parehas. Ang optical fiber sensing gibase sa relasyon tali sa kini nga mga parameter ug sa gawas nga mga hinungdan aron mahibal-an ang katugbang nga pisikal nga gidaghanon.
Adunay daghang mga matang satinubdan sa lasergigamit sa optical fiber sensing systems, nga mahimong bahinon ngadto sa duha ka mga kategoriya: coherentmga tinubdan sa laserug incoherent nga mga tinubdan sa kahayag, incoherentmga tinubdan sa kahayagnag-una naglakip sa incandescent nga kahayag ug kahayag-emitting diodes, ug coherent kahayag tinubdan naglakip sa solid lasers, liquid lasers, gas lasers,semiconductor nga laserugfiber laser. Ang mosunod kay para satinubdan sa kahayag sa laserkaylap nga gigamit sa natad sa fiber sensing sa bag-ohay nga mga tuig: pig-ot nga linya gilapdon single-frequency laser, single-wavelength sweep frequency laser ug puti nga laser.
1.1 Mga kinahanglanon alang sa pig-ot nga linewidthtinubdan sa kahayag sa laser
Ang optical fiber sensing system dili mabulag gikan sa laser source, ingon nga ang gisukod nga signal carrier light wave, laser light source mismo performance, sama sa power stability, laser linewidth, phase noise ug uban pang mga parameter sa optical fiber sensing system detection distance, detection Ang katukma, pagkasensitibo ug mga kinaiya sa kasaba adunay hinungdanon nga papel. Sa bag-ohay nga mga tuig, uban sa pagpalambo sa long-distance ultra-high resolution optical fiber sensing systems, academia ug industriya nagbutang sa unahan sa mas hugot nga mga kinahanglanon alang sa linewidth performance sa laser miniaturization, nag-una sa: optical frequency domain pagpamalandong (OFDR) teknolohiya naggamit coherent detection teknolohiya sa pag-analisar sa backrayleigh nagkatibulaag signal sa optical fibers sa frequency domain, uban sa usa ka halapad nga coverage (liboan ka metros). Ang mga bentaha sa taas nga resolusyon (millimeter-level resolution) ug taas nga pagkasensitibo (hangtod sa -100 dBm) nahimong usa sa mga teknolohiya nga adunay lapad nga mga prospect sa aplikasyon sa gipang-apod-apod nga optical fiber measurement ug sensing technology. Ang kinauyokan sa teknolohiya sa OFDR mao ang paggamit sa tunable light source aron makab-ot ang optical frequency tuning, mao nga ang performance sa laser source nagtino sa mga importanteng butang sama sa OFDR detection range, sensitivity ug resolution. Kung ang gilay-on nga punto sa pagpamalandong duol sa gitas-on sa pagkadugtong, ang intensity sa signal sa beat madugangan sa pagkunhod sa coefficient τ/τc. Alang sa Gaussian light source nga adunay spectral nga porma, aron masiguro nga ang beat frequency adunay labaw pa sa 90% nga visibility, ang relasyon tali sa gilapdon sa linya sa light source ug ang maximum sensing length nga makab-ot sa sistema mao ang Lmax~0.04vg /f, nga nagpasabot nga alang sa usa ka lanot nga adunay gitas-on nga 80 km, ang gilapdon sa linya sa tinubdan sa kahayag ubos sa 100 Hz. Dugang pa, ang pagpalambo sa ubang mga aplikasyon nagbutang usab sa mas taas nga mga kinahanglanon alang sa linewidth sa tinubdan sa kahayag. Pananglitan, sa optical fiber hydrophone system, ang linewidth sa light source nagtino sa kasaba sa sistema ug nagtino usab sa minimum nga masukod nga signal sa sistema. Sa Brillouin optical time domain reflector (BOTDR), ang resolusyon sa pagsukod sa temperatura ug tensiyon nag-una nga gitino sa linewidth sa tinubdan sa kahayag. Sa usa ka resonator fiber optic gyro, ang coherence nga gitas-on sa light wave mahimong madugangan pinaagi sa pagkunhod sa gilapdon sa linya sa light source, sa ingon nagpauswag sa pagkamaayo ug giladmon sa resonance sa resonator, pagkunhod sa gilapdon sa linya sa resonator, ug pagsiguro sa pagsukod. katukma sa fiber optic gyro.
1.2 Mga kinahanglanon alang sa mga tinubdan sa sweep laser
Ang single wavelength sweep laser adunay flexible wavelength tuning performance, mahimong mopuli sa daghang output nga fixed wavelength lasers, pagpakunhod sa gasto sa sistema sa pagtukod, usa ka kinahanglanon nga bahin sa optical fiber sensing system. Pananglitan, sa pagsubay sa gas fiber sensing, lain-laing mga matang sa mga gas adunay lain-laing mga gas pagsuyup peak. Aron masiguro ang kahusayan sa pagsuyup sa kahayag kung igo na ang pagsukod sa gas ug makab-ot ang mas taas nga pagkasensitibo sa pagsukod, kinahanglan nga ipahiangay ang wavelength sa gigikanan sa kahayag sa transmission sa pagsuyup nga peak sa molekula sa gas. Ang matang sa gas nga mahimong mamatikdan mao ang esensya determinado sa wavelength sa sensing kahayag tinubdan. Busa, ang pig-ot nga linewidth nga mga laser nga adunay lig-on nga broadband tuning performance adunay mas taas nga pagka-flexible sa pagsukod sa maong mga sensing system. Pananglitan, sa pipila ka gipang-apod-apod nga optical fiber sensing systems base sa optical frequency domain reflection, ang laser kinahanglan nga paspas nga ma-swept aron makab-ot ang high-precision coherent detection ug demodulation sa optical signal, mao nga ang modulation rate sa laser source adunay medyo taas nga mga kinahanglanon. , ug ang sweep speed sa adjustable nga laser kasagarang gikinahanglan nga moabot ug 10 pm/μs. Dugang pa, ang wavelength tunable narrow linewidth laser mahimo usab nga kaylap nga gigamit sa liDAR, laser remote sensing ug high-resolution spectral analysis ug uban pang sensing fields. Aron matubag ang mga kinahanglanon sa taas nga performance nga mga parameter sa tuning bandwidth, tuning accuracy ug tuning speed sa single-wavelength lasers sa natad sa fiber sensing, ang kinatibuk-ang tumong sa pagtuon sa tunable narrow-width fiber lasers sa bag-ohay nga mga tuig mao ang pagkab-ot sa high- tukma nga pag-tune sa usa ka mas dako nga wavelength range base sa paggukod sa ultra-hiktin nga laser linewidth, ultra-low phase noise, ug ultra-stable nga output frequency ug power.
1.3 Demand alang sa puti nga laser light source
Sa natad sa optical sensing, ang taas nga kalidad nga puti nga kahayag nga laser hinungdanon kaayo aron mapaayo ang pasundayag sa sistema. Ang mas lapad nga spectrum coverage sa white light laser, mas lapad ang aplikasyon niini sa optical fiber sensing system. Pananglitan, sa paggamit sa fiber Bragg grating (FBG) sa pagtukod sa usa ka sensor network, spectral analysis o tunable filter matching pamaagi mahimong gamiton alang sa demodulation. Ang kanhi migamit ug spectrometer aron direktang sulayan ang matag FBG resonant wavelength sa network. Ang ulahi naggamit ug reference filter aron masubay ug ma-calibrate ang FBG sa sensing, nga pareho niini nanginahanglan ug broadband light source isip test light source para sa FBG. Tungod kay ang matag FBG access network adunay usa ka piho nga pagsal-ot nga pagkawala, ug adunay bandwidth nga labaw sa 0.1 nm, ang dungan nga demodulation sa daghang FBG nanginahanglan usa ka broadband light source nga adunay taas nga gahum ug taas nga bandwidth. Pananglitan, sa paggamit sa long period fiber grating (LPFG) alang sa sensing, tungod kay ang bandwidth sa usa ka loss peak anaa sa han-ay sa 10 nm, usa ka halapad nga spectrum nga tinubdan sa kahayag nga adunay igong bandwidth ug medyo patag nga spectrum gikinahanglan aron tukma nga mailhan ang resonant niini. peak nga mga kinaiya. Sa partikular, ang acoustic fiber grating (AIFG) nga gitukod pinaagi sa paggamit sa acousto-optical nga epekto mahimong makab-ot ang usa ka tuning range sa resonant wavelength hangtod sa 1000 nm pinaagi sa electrical tuning. Busa, ang dinamikong pagsulay sa grating nga adunay usa ka ultra-wide tuning range naghatag ug dakong hagit sa bandwidth range sa usa ka lapad nga spectrum nga tinubdan sa kahayag. Sa susama, sa bag-ohay nga mga tuig, ang tilted Bragg fiber grating kaylap usab nga gigamit sa natad sa fiber sensing. Tungod sa iyang multi-peak loss spectrum nga mga kinaiya, ang wavelength distribution range kasagarang moabot sa 40 nm. Ang mekanismo sa sensing niini kasagaran aron itandi ang relatibong paglihok taliwala sa daghang mga taluktok sa transmission, busa kinahanglan nga sukdon ang spectrum sa transmission niini sa hingpit. Ang bandwidth ug gahum sa lapad nga spectrum nga tinubdan sa kahayag gikinahanglan nga mas taas.
2. Ang kahimtang sa panukiduki sa balay ug sa gawas sa nasud
2.1 Pikit nga linewidth nga tinubdan sa kahayag sa laser
2.1.1 Pikit nga linewidth semiconductor-apod-apod feedback laser
Niadtong 2006, si Cliche et al. gipakunhod ang MHz scale sa semiconductorDFB laser(giapod-apod nga feedback laser) ngadto sa kHz nga sukdanan gamit ang electrical feedback method; Niadtong 2011, si Kessler et al. gigamit ang ubos nga temperatura ug taas nga kalig-on nga single nga kristal nga lungag inubanan sa aktibo nga pagkontrol sa feedback aron makakuha og ultra-hiktin nga linewidth nga laser output nga 40 MHz; Sa 2013, si Peng et al nakakuha og semiconductor laser output nga adunay linewidth nga 15 kHz pinaagi sa paggamit sa pamaagi sa external Fabry-Perot (FP) feedback adjustment. Ang pamaagi sa elektrisidad nga feedback nag-una nga gigamit ang Pond-Drever-Hall frequency stabilization feedback aron mahimo ang laser linewidth sa light source nga mapakunhod. Niadtong 2010, si Bernhardi et al. naghimo og 1 cm nga erbium-doped alumina FBG sa usa ka substrate nga silicon oxide aron makakuha og laser output nga adunay gilapdon sa linya nga mga 1.7 kHz. Sa samang tuig, si Liang et al. migamit sa self-injection feedback sa atras nga Rayleigh scattering nga naporma sa high-Q echo wall resonator para sa semiconductor laser line-width compression, sama sa gipakita sa Figure 1, ug sa katapusan nakuha ang usa ka pig-ot nga line-width laser output nga 160 Hz.
Fig. 1 (a) Diagram sa semiconductor laser linewidth compression base sa self-injection Rayleigh scattering sa external whispering gallery mode resonator;
(b) Frequency spectrum sa free running semiconductor laser nga adunay linewidth nga 8 MHz;
(c) Frequency spectrum sa laser nga adunay linewidth nga gi-compress sa 160 Hz
2.1.2 Pikit nga linewidth fiber laser
Alang sa linear cavity fiber lasers, ang pig-ot nga linewidth laser output sa single longitudinal mode makuha pinaagi sa pagpamubo sa gitas-on sa resonator ug pagdugang sa longhitudinal mode interval. Niadtong 2004, si Spiegelberg et al. nakuha ang usa ka longitudinal mode narrow linewidth laser output nga adunay linewidth nga 2 kHz pinaagi sa paggamit sa DBR short cavity method. Niadtong 2007, si Shen et al. migamit ug 2 cm nga bug-at nga erbium-doped silicon fiber aron isulat ang FBG sa Bi-Ge co-doped photosensitive fiber, ug gisagol kini sa aktibong fiber aron maporma ang usa ka compact linear cavity, nga naghimo sa laser output line nga gilapdon niini nga ubos pa sa 1 kHz. Niadtong 2010, si Yang et al. migamit ug 2cm taas kaayo nga doped mubo nga linear nga lungag inubanan sa usa ka narrowband FBG filter aron makakuha og usa ka longhitudinal mode laser output nga adunay line width nga ubos sa 2 kHz. Sa 2014, ang team migamit sa usa ka mubo nga linear nga lungag (virtual folded ring resonator) inubanan sa usa ka FBG-FP filter aron makakuha og laser output nga adunay mas pig-ot nga gilapdon sa linya, sama sa gipakita sa Figure 3. Sa 2012, Cai et al. migamit ug 1.4cm mugbo nga cavity structure aron makakuha ug polarizing laser output nga adunay output power nga labaw sa 114 mW, usa ka central wavelength nga 1540.3 nm, ug line width nga 4.1 kHz. Niadtong 2013, si Meng et al. gigamit ang Brillouin nga pagsabwag sa erbium-doped fiber nga adunay usa ka mubo nga singsing nga lungag sa usa ka full-bias nga pagpreserbar nga himan aron makakuha og single-longitudinal mode, low-phase noise laser output nga adunay output power nga 10 mW. Sa 2015, ang team migamit ug singsing nga lungag nga gilangkuban sa 45 cm nga erbium-doped fiber isip ang Brillouin scattering gain medium aron makakuha og ubos nga threshold ug pig-ot nga linewidth laser output.
Fig. 2 (a) Schematic drawing sa SLC fiber laser;
(b) Lineshape sa heterodyne signal nga gisukod sa 97.6 km fiber delay
Oras sa pag-post: Nob-20-2023