Teknolohiya sa tinubdan sa laser para safiber nga optikalpagbati sa Unang Bahin
Ang teknolohiya sa optical fiber sensing usa ka klase sa teknolohiya sa sensing nga naugmad uban sa teknolohiya sa optical fiber ug teknolohiya sa komunikasyon sa optical fiber, ug kini nahimong usa sa labing aktibo nga sanga sa teknolohiya sa photoelectric. Ang sistema sa optical fiber sensing 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 sa mga eksternal nga impluwensya sa optical fiber transmission. Pananglitan, kung ang temperatura, strain, pressure, current, displacement, vibration, rotation, bending ug chemical quantity makaapekto sa optical path, kini nga mga parameter mausab usab. Ang optical fiber sensing gibase sa relasyon tali niini nga mga parameter ug mga eksternal nga hinungdan aron mahibal-an ang katugbang nga pisikal nga kantidad.
Daghang klase satinubdan sa lasergigamit sa mga optical fiber sensing system, nga mahimong bahinon sa duha ka kategorya: coherentmga tinubdan sa laserug dili makanunayon nga mga tinubdan sa kahayag, dili makanunayonmga tinubdan sa kahayagkasagaran naglakip sa incandescent light ug light-emitting diode, ug ang coherent light sources naglakip sa solid lasers, liquid lasers, gas lasers,laser nga semiconductorugfiber laserAng mosunod panguna alang satinubdan sa kahayag sa laserkaylap nga gigamit sa natad sa fiber sensing sa bag-ohay nga mga tuig: pig-ot nga gilapdon sa linya nga single-frequency laser, single-wavelength sweep frequency laser ug puti nga laser.
1.1 Mga Kinahanglanon para sa Pig-ot nga Linewidthmga tinubdan sa kahayag sa laser
Ang optical fiber sensing system dili mabulag gikan sa laser source, tungod kay ang gisukod nga signal carrier light wave, ang performance sa laser light source mismo, sama sa power stability, laser linewidth, phase noise ug uban pang mga parameter sa optical fiber sensing system detection distance, detection accuracy, sensitivity ug noise characteristics adunay dakong papel. Sa bag-ohay nga mga tuig, uban sa pag-uswag sa long-distance ultra-high resolution optical fiber sensing systems, ang akademya ug industriya nagpresentar og mas estrikto nga mga kinahanglanon alang sa linewidth performance sa laser miniaturization, labi na sa: optical frequency domain reflection (OFDR) nga teknolohiya naggamit og coherent detection technology aron analisahon ang backrayleigh scattered signals sa optical fibers sa frequency domain, nga adunay lapad nga coverage (liboan ka metros). Ang mga bentaha sa high resolution (millimeter-level resolution) ug high sensitivity (hangtod sa -100 dBm) nahimong usa sa mga teknolohiya nga adunay lapad nga aplikasyon sa distributed optical fiber measurement ug sensing technology. Ang kinauyokan sa OFDR nga teknolohiya mao ang paggamit sa tunable light source aron makab-ot ang optical frequency tuning, busa ang performance sa laser source nagtino sa mga importanteng butang sama sa OFDR detection range, sensitivity ug resolution. Kon ang distansya sa reflection point duol sa coherence length, ang intensity sa beat signal mohinay sa exponentially sa coefficient τ/τc. Para sa usa ka Gaussian light source nga adunay spectral shape, aron masiguro nga ang beat frequency adunay labaw sa 90% nga visibility, ang relasyon tali sa line width sa light source ug sa maximum sensing length nga makab-ot sa sistema kay Lmax~0.04vg/f, nga nagpasabot nga para sa usa ka fiber nga adunay gitas-on nga 80 km, ang line width sa light source kay ubos sa 100 Hz. Dugang pa, ang pag-uswag sa ubang mga aplikasyon naghatag usab og mas taas nga mga kinahanglanon para sa linewidth sa light source. Pananglitan, sa optical fiber hydrophone system, ang linewidth sa light source ang nagtino sa system noise ug nagtino usab sa minimum measurable signal sa sistema. Sa Brillouin optical time domain reflector (BOTDR), ang resolution sa pagsukod sa temperatura ug stress kasagaran gitino sa linewidth sa light source. Sa usa ka resonator fiber optic gyro, ang coherence length sa light wave mahimong madugangan pinaagi sa pagpakunhod sa line width sa light source, sa ingon mapaayo ang fineness ug resonance depth sa resonator, pagpakunhod sa line width sa resonator, ug pagsiguro sa katukma sa pagsukod sa fiber optic gyro.
1.2 Mga Kinahanglanon alang sa mga tinubdan sa sweep laser
Ang single wavelength sweep laser adunay flexible nga wavelength tuning performance, makapuli sa multiple output fixed wavelength lasers, makapakunhod sa gasto sa pagtukod sa sistema, ug usa ka importante nga bahin sa optical fiber sensing system. Pananglitan, sa trace gas fiber sensing, ang lain-laing klase sa gas adunay lain-laing gas absorption peaks. Aron masiguro ang light absorption efficiency kung igo na ang measurement gas ug makab-ot ang mas taas nga measurement sensitivity, gikinahanglan nga i-align ang wavelength sa transmission light source sa absorption peak sa gas molecule. Ang klase sa gas nga ma-detect kasagaran gitino sa wavelength sa sensing light source. Busa, ang narrow linewidth lasers nga adunay stable broadband tuning performance adunay mas taas nga measurement flexibility sa maong sensing systems. Pananglitan, sa pipila ka distributed optical fiber sensing systems nga gibase sa optical frequency domain reflection, ang laser kinahanglan nga paspas nga i-sweep matag karon ug unya aron makab-ot ang high-precision coherent detection ug demodulation sa optical signals, busa ang modulation rate sa laser source adunay medyo taas nga kinahanglanon, ug ang sweep speed sa adjustable laser kasagaran gikinahanglan nga moabot sa 10 pm/μs. Dugang pa, ang wavelength tunable narrow linewidth laser mahimo usab nga kaylap nga magamit sa liDAR, laser remote sensing ug high-resolution spectral analysis ug uban pang mga sensing field. Aron matuman ang mga kinahanglanon sa high performance parameters 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-precision tuning sa mas dako nga wavelength range base sa paggukod sa ultra-narrow laser linewidth, ultra-low phase noise, ug ultra-stable output frequency ug power.
1.3 Panginahanglan alang sa puti nga tinubdan sa kahayag sa laser
Sa natad sa optical sensing, ang taas nga kalidad nga white light laser adunay dakong importansya aron mapaayo ang performance sa sistema. Kon mas lapad ang spectrum coverage sa white light laser, mas lapad ang aplikasyon niini sa optical fiber sensing system. Pananglitan, kon gamiton ang fiber Bragg grating (FBG) aron paghimo og sensor network, ang spectral analysis o tunable filter matching method mahimong gamiton para sa demodulation. Ang una migamit og spectrometer aron direktang sulayan ang matag FBG resonant wavelength sa network. Ang ikaduha migamit og reference filter aron masubay ug ma-calibrate ang FBG sa sensing, nga parehong nanginahanglan og broadband light source isip test light source para sa FBG. Tungod kay ang matag FBG access network adunay piho nga insertion loss, ug adunay bandwidth nga labaw sa 0.1 nm, ang dungan nga demodulation sa daghang FBG nanginahanglan og broadband light source nga adunay taas nga power ug taas nga bandwidth. Pananglitan, kon mogamit og long period fiber grating (LPFG) para sa sensing, tungod kay ang bandwidth sa usa ka single loss peak naa sa order nga 10 nm, gikinahanglan ang usa ka broad spectrum light source nga adunay igong bandwidth ug medyo patag nga spectrum aron tukma nga mailhan ang mga kinaiya sa resonant peak niini. Sa partikular, ang acoustic fiber grating (AIFG) nga gihimo pinaagi sa paggamit sa acousto-optical effect makab-ot ang tuning range sa resonant wavelength hangtod sa 1000 nm pinaagi sa electrical tuning. Busa, ang dynamic grating testing nga adunay ingon nga ultra-wide tuning range usa ka dako nga hagit sa bandwidth range sa usa ka wide-spectrum light source. Sa susama, sa bag-ohay nga mga tuig, ang tilted Bragg fiber grating kaylap usab nga gigamit sa natad sa fiber sensing. Tungod sa mga kinaiya sa multi-peak loss spectrum niini, ang wavelength distribution range kasagaran makaabot sa 40 nm. Ang mekanismo sa sensing niini kasagaran mao ang pagtandi sa relatibong paglihok taliwala sa daghang transmission peaks, busa kinahanglan nga sukdon ang transmission spectrum niini sa hingpit. Ang bandwidth ug gahum sa wide spectrum light source kinahanglan nga mas taas.
2. Kahimtang sa panukiduki sa sulod ug gawas sa nasud
2.1 Tinubdan sa kahayag sa laser nga pig-ot ang gilapdon sa linya
2.1.1 Pig-ot nga linewidth semiconductor distributed feedback laser
Niadtong 2006, gipakunhod ni Cliche et al. ang MHz scale sa semiconductor.Laser sa DFB(distributed feedback laser) ngadto sa kHz scale gamit ang electrical feedback method; Niadtong 2011, si Kessler et al. migamit og ubos nga temperatura ug taas nga kalig-on nga single crystal cavity nga giubanan sa active feedback control aron makakuha og ultra-narrow linewidth laser output nga 40 MHz; Niadtong 2013, si Peng et al. nakakuha og semiconductor laser output nga adunay linewidth nga 15 kHz gamit ang external Fabry-Perot (FP) feedback adjustment. Ang electrical feedback method nag-una nga migamit sa Pond-Drever-Hall frequency stabilization feedback aron makunhuran ang laser linewidth sa light source. Niadtong 2010, si Bernhardi et al. naghimo og 1 cm nga erbium-doped alumina FBG sa usa ka silicon oxide substrate aron makakuha og laser output nga adunay line width nga mga 1.7 kHz. Sa samang tuig, si Liang et al. migamit sa self-injection feedback sa backward Rayleigh scattering nga giporma sa usa ka high-Q echo wall resonator para sa semiconductor laser line-width compression, sama sa gipakita sa Figure 1, ug sa katapusan nakakuha og narrow line-width laser output nga 160 Hz.
Hulagway 1 (a) Dayagram 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 ngadto sa 160 Hz
2.1.2 Pig-ot nga gilapdon sa linya nga fiber laser
Para sa linear cavity fiber lasers, ang narrow linewidth laser output sa single longitudinal mode makuha pinaagi sa pagpamubo sa gitas-on sa resonator ug pagdugang sa longitudinal mode interval. Niadtong 2004, si Spiegelberg et al. nakakuha og single longitudinal mode narrow linewidth laser output nga adunay linewidth nga 2 kHz gamit ang DBR short cavity method. Niadtong 2007, si Shen et al. migamit og 2 cm heavily erbium-doped silicon fiber aron isulat ang FBG sa usa ka Bi-Ge co-doped photosensitive fiber, ug gi-fuse kini sa usa ka active fiber aron maporma ang usa ka compact linear cavity, nga naghimo sa laser output line width niini nga ubos sa 1 kHz. Niadtong 2010, si Yang et al. migamit og 2cm highly doped short linear cavity nga gihiusa sa usa ka narrowband FBG filter aron makakuha og single longitudinal mode laser output nga adunay line width nga ubos sa 2 kHz. Niadtong 2014, ang team migamit og mubo nga linear cavity (virtual folded ring resonator) nga giubanan sa FBG-FP filter aron makakuha og laser output nga adunay mas pig-ot nga gilapdon sa linya, sama sa gipakita sa Figure 3. Niadtong 2012, si Cai et al. migamit og 1.4cm nga mubo nga istruktura sa cavity aron makakuha og polarizing laser output nga adunay output power nga labaw sa 114 mW, usa ka central wavelength nga 1540.3 nm, ug usa ka gilapdon sa linya nga 4.1 kHz. Niadtong 2013, si Meng et al. migamit og Brillouin scattering sa erbium-doped fiber nga adunay mubo nga ring cavity sa usa ka full-bias preserving device aron makakuha og single-longitudinal mode, low-phase noise laser output nga adunay output power nga 10 mW. Niadtong 2015, ang team migamit og ring cavity nga gilangkoban sa 45 cm nga erbium-doped fiber isip Brillouin scattering gain medium aron makakuha og ubos nga threshold ug pig-ot nga linewidth laser output.
Hulagway 2 (a) Eskematikong drowing sa SLC fiber laser;
(b) Linya sa porma sa heterodyne signal nga gisukod gamit ang 97.6 km fiber delay
Oras sa pag-post: Nob-20-2023