Tecnologia de fonte de laser parafibra ópticasentindo a Parte Um
A tecnologia de detecção por fibra óptica é um tipo de tecnologia de detecção desenvolvida em conjunto com a tecnologia de fibra óptica e a tecnologia de comunicação por fibra óptica, e tornou-se um dos ramos mais ativos da tecnologia fotoelétrica. O sistema de detecção por fibra óptica é composto principalmente por laser, fibra de transmissão, elemento sensor ou área de modulação, detecção de luz e outras partes. Os parâmetros que descrevem as características da onda de luz incluem intensidade, comprimento de onda, fase, estado de polarização, etc. Esses parâmetros podem ser alterados por influências externas na transmissão da fibra óptica. Por exemplo, quando temperatura, deformação, pressão, corrente, deslocamento, vibração, rotação, flexão e grandeza química afetam o caminho óptico, esses parâmetros mudam correspondentemente. A detecção por fibra óptica baseia-se na relação entre esses parâmetros e fatores externos para detectar as quantidades físicas correspondentes.
Existem muitos tipos defonte de laserusado em sistemas de detecção de fibra óptica, que podem ser divididos em duas categorias: coerentefontes de lasere fontes de luz incoerentes, incoerentesfontes de luzincluem principalmente luz incandescente e diodos emissores de luz, e fontes de luz coerentes incluem lasers sólidos, lasers líquidos, lasers de gás,laser semicondutorelaser de fibra. O seguinte é principalmente para ofonte de luz laseramplamente utilizado no campo de detecção de fibra nos últimos anos: laser de frequência única de largura de linha estreita, laser de frequência de varredura de comprimento de onda único e laser branco.
1.1 Requisitos para largura de linha estreitafontes de luz laser
O sistema de detecção de fibra óptica não pode ser separado da fonte de laser, pois a onda portadora do sinal medido e o desempenho da própria fonte de luz laser, como estabilidade de potência, largura de linha do laser, ruído de fase e outros parâmetros, desempenham um papel decisivo na distância de detecção, precisão de detecção, sensibilidade e características de ruído do sistema de detecção de fibra óptica. Nos últimos anos, com o desenvolvimento de sistemas de detecção de fibra óptica de ultra-alta resolução e longa distância, a academia e a indústria apresentaram requisitos mais rigorosos para o desempenho da largura de linha da miniaturização do laser, principalmente em: a tecnologia de reflexão no domínio da frequência óptica (OFDR) utiliza tecnologia de detecção coerente para analisar os sinais dispersos de backrayleigh de fibras ópticas no domínio da frequência, com uma ampla cobertura (milhares de metros). As vantagens de alta resolução (resolução em nível milimétrico) e alta sensibilidade (até -100 dBm) tornaram-se uma das tecnologias com amplas perspectivas de aplicação na tecnologia de medição e detecção de fibra óptica distribuída. O núcleo da tecnologia OFDR é usar uma fonte de luz ajustável para obter o ajuste da frequência óptica, de modo que o desempenho da fonte de laser determine os principais fatores, como alcance de detecção, sensibilidade e resolução do OFDR. Quando a distância do ponto de reflexão estiver próxima do comprimento de coerência, a intensidade do sinal de batimento será atenuada exponencialmente pelo coeficiente τ/τc. Para uma fonte de luz gaussiana com formato espectral, a fim de garantir que a frequência de batimento tenha mais de 90% de visibilidade, a relação entre a largura da linha da fonte de luz e o comprimento máximo de detecção que o sistema pode atingir é Lmax~0,04vg/f, o que significa que, para uma fibra com comprimento de 80 km, a largura da linha da fonte de luz é menor que 100 Hz. Além disso, o desenvolvimento de outras aplicações também apresentou requisitos mais elevados para a largura de linha da fonte de luz. Por exemplo, no sistema de hidrofone de fibra óptica, a largura de linha da fonte de luz determina o ruído do sistema e também determina o sinal mínimo mensurável do sistema. No refletor óptico de domínio de tempo Brillouin (BOTDR), a resolução da medição de temperatura e tensão é determinada principalmente pela largura da linha da fonte de luz. Em um giroscópio de fibra óptica ressonador, o comprimento de coerência da onda de luz pode ser aumentado reduzindo a largura da linha da fonte de luz, melhorando assim a finura e a profundidade de ressonância do ressonador, reduzindo a largura da linha do ressonador e garantindo a precisão da medição do giroscópio de fibra óptica.
1.2 Requisitos para fontes de laser de varredura
O laser de varredura de comprimento de onda único possui desempenho de ajuste de comprimento de onda flexível, pode substituir lasers de comprimento de onda fixo de saída múltipla, reduz o custo de construção do sistema e é uma parte indispensável do sistema de detecção de fibra óptica. Por exemplo, na detecção de fibra óptica de gás traço, diferentes tipos de gases têm diferentes picos de absorção de gás. Para garantir a eficiência de absorção de luz quando o gás de medição é suficiente e alcançar maior sensibilidade de medição, é necessário alinhar o comprimento de onda da fonte de luz de transmissão com o pico de absorção da molécula de gás. O tipo de gás que pode ser detectado é essencialmente determinado pelo comprimento de onda da fonte de luz de detecção. Portanto, lasers de largura de linha estreita com desempenho de ajuste de banda larga estável têm maior flexibilidade de medição em tais sistemas de detecção. Por exemplo, em alguns sistemas de detecção de fibra óptica distribuída baseados na reflexão no domínio da frequência óptica, o laser precisa ser varrido periodicamente de forma rápida para alcançar detecção coerente de alta precisão e demodulação de sinais ópticos, portanto, a taxa de modulação da fonte de laser tem requisitos relativamente altos, e a velocidade de varredura do laser ajustável geralmente precisa atingir 10 pm/μs. Além disso, o laser de largura de linha estreita ajustável em comprimento de onda também pode ser amplamente utilizado em LiDAR, sensoriamento remoto a laser, análise espectral de alta resolução e outras áreas de sensoriamento. Para atender aos requisitos de parâmetros de alto desempenho de largura de banda de ajuste, precisão de ajuste e velocidade de ajuste de lasers de comprimento de onda único na área de sensoriamento por fibra, o objetivo geral do estudo de lasers de fibra estreita ajustável nos últimos anos é alcançar um ajuste de alta precisão em uma faixa de comprimento de onda maior, buscando largura de linha de laser ultrafina, ruído de fase ultrabaixo e frequência e potência de saída ultraestáveis.
1.3 Demanda por fonte de luz laser branca
No campo da detecção óptica, o laser de luz branca de alta qualidade é de grande importância para melhorar o desempenho do sistema. Quanto mais ampla a cobertura do espectro do laser de luz branca, mais extensa é sua aplicação em sistemas de detecção de fibra óptica. Por exemplo, ao usar uma rede de Bragg de fibra (FBG) para construir uma rede de sensores, a análise espectral ou o método de correspondência de filtro ajustável podem ser usados para demodulação. O primeiro usa um espectrômetro para testar diretamente cada comprimento de onda ressonante da FBG na rede. O último usa um filtro de referência para rastrear e calibrar a FBG na detecção, ambos os quais requerem uma fonte de luz de banda larga como fonte de luz de teste para a FBG. Como cada rede de acesso FBG terá uma certa perda de inserção e tem uma largura de banda de mais de 0,1 nm, a demodulação simultânea de múltiplas FBG requer uma fonte de luz de banda larga com alta potência e alta largura de banda. Por exemplo, ao utilizar uma rede de fibra óptica de longo período (LPFG) para detecção, como a largura de banda de um único pico de perda é da ordem de 10 nm, uma fonte de luz de amplo espectro com largura de banda suficiente e espectro relativamente plano é necessária para caracterizar com precisão suas características de pico ressonante. Em particular, uma rede de fibra óptica acústica (AIFG) construída utilizando efeito acústico-óptico pode atingir uma faixa de sintonia de comprimento de onda ressonante de até 1000 nm por meio de sintonia elétrica. Portanto, testes de rede dinâmica com uma faixa de sintonia ultralarga representam um grande desafio para a faixa de largura de banda de uma fonte de luz de amplo espectro. Da mesma forma, nos últimos anos, a rede de fibra óptica de Bragg inclinada também tem sido amplamente utilizada no campo de detecção de fibra óptica. Devido às suas características de espectro de perda de múltiplos picos, a faixa de distribuição de comprimento de onda pode geralmente atingir 40 nm. Seu mecanismo de detecção geralmente consiste em comparar o movimento relativo entre múltiplos picos de transmissão, portanto, é necessário medir seu espectro de transmissão completamente. A largura de banda e a potência da fonte de luz de amplo espectro devem ser maiores.
2. Situação da pesquisa no país e no exterior
2.1 Fonte de luz laser de largura de linha estreita
2.1.1 Laser de feedback distribuído de semicondutor de largura de linha estreita
Em 2006, Cliche et al. reduziram a escala de MHz dos semicondutoresLaser DFB(laser de feedback distribuído) para escala kHz usando método de feedback elétrico; Em 2011, Kessler et al. usaram cavidade de cristal único de baixa temperatura e alta estabilidade combinada com controle de feedback ativo para obter saída de laser de largura de linha ultraestreita de 40 MHz; Em 2013, Peng et al obtiveram uma saída de laser semicondutor com uma largura de linha de 15 kHz usando o método de ajuste de feedback externo de Fabry-Perot (FP). O método de feedback elétrico usou principalmente o feedback de estabilização de frequência Pond-Drever-Hall para fazer com que a largura de linha do laser da fonte de luz fosse reduzida. Em 2010, Bernhardi et al. produziram 1 cm de alumina dopada com érbio FBG em um substrato de óxido de silício para obter uma saída de laser com uma largura de linha de cerca de 1,7 kHz. No mesmo ano, Liang et al. utilizou o feedback de autoinjeção de espalhamento de Rayleigh reverso formado por um ressonador de parede de eco de alto Q para compressão de largura de linha de laser semicondutor, conforme mostrado na Figura 1, e finalmente obteve uma saída de laser de largura de linha estreita de 160 Hz.
Fig. 1 (a) Diagrama de compressão de largura de linha de laser semicondutor com base no espalhamento de Rayleigh de autoinjeção do ressonador de modo de galeria sussurrante externo;
(b) Espectro de frequência do laser semicondutor de operação livre com largura de linha de 8 MHz;
(c) Espectro de frequência do laser com largura de linha comprimida para 160 Hz
2.1.2 Laser de fibra de largura de linha estreita
Para lasers de fibra de cavidade linear, a saída de laser de largura de linha estreita de modo longitudinal único é obtida encurtando o comprimento do ressonador e aumentando o intervalo do modo longitudinal. Em 2004, Spiegelberg et al. obtiveram uma saída de laser de largura de linha estreita de modo longitudinal único com uma largura de linha de 2 kHz usando o método de cavidade curta DBR. Em 2007, Shen et al. usaram uma fibra de silício de 2 cm fortemente dopada com érbio para escrever FBG em uma fibra fotossensível co-dopada com Bi-Ge e a fundiram com uma fibra ativa para formar uma cavidade linear compacta, tornando sua largura de linha de saída de laser menor que 1 kHz. Em 2010, Yang et al. usaram uma cavidade linear curta de 2 cm altamente dopada combinada com um filtro FBG de banda estreita para obter uma saída de laser de modo longitudinal único com uma largura de linha menor que 2 kHz. Em 2014, a equipe usou uma cavidade linear curta (ressonador de anel dobrado virtual) combinada com um filtro FBG-FP para obter uma saída de laser com uma largura de linha mais estreita, conforme mostrado na Figura 3. Em 2012, Cai et al. usaram uma estrutura de cavidade curta de 1,4 cm para obter uma saída de laser polarizadora com uma potência de saída maior que 114 mW, um comprimento de onda central de 1540,3 nm e uma largura de linha de 4,1 kHz. Em 2013, Meng et al. usaram espalhamento Brillouin de fibra dopada com érbio com uma cavidade de anel curta de um dispositivo de preservação de polarização total para obter uma saída de laser de modo longitudinal único e baixo ruído de fase com uma potência de saída de 10 mW. Em 2015, a equipe usou uma cavidade de anel composta de fibra dopada com érbio de 45 cm como meio de ganho de espalhamento Brillouin para obter uma saída de laser de baixo limiar e largura de linha estreita.
Fig. 2 (a) Desenho esquemático do laser de fibra SLC;
(b) Forma de linha do sinal heteródino medido com atraso de fibra de 97,6 km
Horário da publicação: 20/11/2023