Tecnologia de fonte laser parafibra ópticaSentindo Parte Um
A tecnologia de sensoriamento por fibra óptica é um tipo de tecnologia de sensoriamento 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. Um sistema de sensoriamento por fibra óptica é composto principalmente por laser, fibra de transmissão, elemento sensor ou área de modulação, detector 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 por fibra óptica. Por exemplo, quando temperatura, deformação, pressão, corrente, deslocamento, vibração, rotação, curvatura e composição química afetam o caminho óptico, esses parâmetros se alteram correspondentemente. O sensoriamento por fibra óptica baseia-se na relação entre esses parâmetros e os fatores externos para detectar as grandezas físicas correspondentes.
Existem muitos tipos defonte de laserusados em sistemas de sensoriamento por fibra óptica, que podem ser divididos em duas categorias: coerentesfontes de lasere fontes de luz incoerentes, incoerentesfontes de luzAs fontes de luz coerente incluem principalmente luz incandescente e diodos emissores de luz, e incluem lasers de estado sólido, lasers líquidos e lasers a gás.laser semicondutorelaser de fibraO texto a seguir destina-se principalmente a...fonte de luz laserAmplamente utilizados na área de sensoriamento por fibra óptica nos últimos anos: laser de frequência única com largura de linha estreita, laser de varredura de frequência de comprimento de onda único e laser branco.
1.1 Requisitos para largura de linha estreitafontes de luz laser
O sistema de sensoriamento por fibra óptica não pode ser dissociado 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 sensoriamento por fibra óptica. Nos últimos anos, com o desenvolvimento de sistemas de sensoriamento por fibra óptica de ultra-alta resolução para longas distâncias, a academia e a indústria têm estabelecido requisitos mais rigorosos para o desempenho da largura de linha da miniaturização do laser, principalmente na tecnologia de reflexão no domínio da frequência óptica (OFDR), que utiliza a tecnologia de detecção coerente para analisar os sinais retroespalhados de Rayleigh das fibras ópticas no domínio da frequência, com ampla cobertura (milhares de metros). As vantagens da alta resolução (resolução em nível milimétrico) e da alta sensibilidade (até -100 dBm) tornaram essa tecnologia uma das que apresentam amplas perspectivas de aplicação em medição e sensoriamento distribuídos por fibra óptica. A essência da tecnologia OFDR reside na utilização de uma fonte de luz sintonizável para alcançar a sintonia da frequência óptica. Assim, o desempenho da fonte laser determina fatores-chave como o alcance de detecção, a sensibilidade e a resolução do OFDR. Quando a distância do ponto de reflexão se aproxima do comprimento de coerência, a intensidade do sinal de batimento é atenuada exponencialmente pelo coeficiente τ/τc. Para uma fonte de luz gaussiana com formato espectral específico, a fim de garantir que a frequência de batimento tenha visibilidade superior a 90%, a relação entre a largura de linha da fonte de luz e o comprimento máximo de detecção que o sistema pode alcançar é de Lmax ~ 0,04vg/f. Isso significa que, para uma fibra com 80 km de comprimento, a largura de linha da fonte de luz deve ser inferior a 100 Hz. Além disso, o desenvolvimento de outras aplicações também impõe requisitos mais rigorosos para a largura de linha da fonte de luz. Por exemplo, em um sistema de hidrofone de fibra óptica, a largura de linha da fonte de luz determina o ruído do sistema e também o sinal mínimo mensurável. Em um refletor óptico de domínio temporal Brillouin (BOTDR), a resolução da medição de temperatura e tensão é determinada principalmente pela largura de linha da fonte de luz. Em um giroscópio de fibra óptica com ressonador, o comprimento de coerência da onda de luz pode ser aumentado reduzindo-se a largura de linha da fonte de luz, melhorando assim a precisão e a profundidade de ressonância do ressonador, reduzindo a largura de 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 flexível de comprimento de onda, podendo substituir múltiplos lasers de comprimento de onda fixo, reduzindo o custo de construção do sistema e sendo uma parte indispensável do sistema de sensoriamento por fibra óptica. Por exemplo, no sensoriamento por fibra de gases traço, diferentes tipos de gases possuem diferentes picos de absorção. Para garantir a eficiência de absorção da luz quando a quantidade de gás a ser medida for suficiente e alcançar maior sensibilidade de medição, é necessário alinhar o comprimento de onda da fonte de luz transmitida com o pico de absorção da molécula do gás. O tipo de gás que pode ser detectado é essencialmente determinado pelo comprimento de onda da fonte de luz de sensoriamento. Portanto, lasers de largura de linha estreita com desempenho de ajuste de banda larga estável possuem maior flexibilidade de medição em tais sistemas de sensoriamento. Por exemplo, em alguns sistemas de sensoriamento por fibra óptica distribuídos baseados em 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, de modo que a taxa de modulação da fonte de laser tenha 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 e sintonizável 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 alto desempenho em termos de largura de banda, precisão e velocidade de sintonia de lasers de comprimento de onda único no campo do sensoriamento por fibra, o objetivo geral do estudo de lasers de fibra de largura estreita sintonizáveis nos últimos anos é alcançar uma sintonia de alta precisão em uma faixa de comprimento de onda maior, com base na busca por largura de linha ultranarrow, ruído de fase ultrabaixo e frequência e potência de saída ultraestáveis.
1.3 Demanda por fonte de luz laser branca
Na área de sensoriamento óptico, um laser de luz branca de alta qualidade é de grande importância para melhorar o desempenho do sistema. Quanto mais ampla a cobertura espectral do laser de luz branca, mais extensa será sua aplicação em sistemas de sensoriamento por fibra óptica. Por exemplo, ao usar uma grade de Bragg em fibra (FBG) para construir uma rede de sensores, a análise espectral ou o método de correspondência de filtro sintonizável podem ser usados para a demodulação. O primeiro utiliza um espectrômetro para testar diretamente o comprimento de onda de ressonância de cada FBG na rede. O segundo utiliza um filtro de referência para rastrear e calibrar a FBG no sensoriamento, ambos exigindo 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 uma largura de banda superior a 0,1 nm, a demodulação simultânea de múltiplas FBGs requer uma fonte de luz de banda larga com alta potência e alta largura de banda. Por exemplo, ao usar uma grade de fibra de longo período (LPFG) para sensoriamento, como a largura de banda de um único pico de perda é da ordem de 10 nm, é necessária uma fonte de luz de amplo espectro com largura de banda suficiente e espectro relativamente plano para caracterizar com precisão as características de seu pico de ressonância. Em particular, a grade de fibra acústica (AIFG), construída utilizando o efeito acusto-óptico, pode atingir uma faixa de sintonia do comprimento de onda de ressonância de até 1000 nm por meio de sintonia elétrica. Portanto, o teste dinâmico da grade com uma faixa de sintonia tão ampla representa 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 grade de fibra de Bragg inclinada também tem sido amplamente utilizada no campo do sensoriamento por fibra. Devido às suas características de espectro de perda com múltiplos picos, a faixa de distribuição de comprimento de onda geralmente pode atingir 40 nm. Seu mecanismo de sensoriamento geralmente consiste em comparar o movimento relativo entre múltiplos picos de transmissão, sendo necessário medir completamente seu espectro de transmissão. A largura de banda e a potência da fonte de luz de amplo espectro precisam ser maiores.
2. Situação atual 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 semicondutor de largura de linha estreita
Em 2006, Cliche et al. reduziram a escala de MHz dos semicondutores.laser DFB(laser de feedback distribuído) para escala de kHz usando o método de feedback elétrico; Em 2011, Kessler et al. usaram uma cavidade de cristal único de baixa temperatura e alta estabilidade combinada com controle de feedback ativo para obter uma saída de laser com largura de linha ultranarrow 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 Fabry-Perot (FP) externo. O método de feedback elétrico utilizou principalmente o feedback de estabilização de frequência Pond-Drever-Hall para reduzir a largura de linha do laser da fonte de luz. Em 2010, Bernhardi et al. produziram 1 cm de FBG de alumina dopada com érbio 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-se o feedback de auto-injeção do espalhamento Rayleigh reverso formado por um ressonador de parede de eco de alto Q para compressão da largura de linha do laser semicondutor, conforme mostrado na Figura 1, e finalmente obteve-se uma saída de laser com largura de linha estreita de 160 Hz.
Figura 1 (a) Diagrama da compressão da largura de linha do laser semicondutor baseada no espalhamento Rayleigh de auto-injeção do ressonador de modo de galeria sussurrante externo;
(b) Espectro de frequência do laser semicondutor de funcionamento 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 com largura de linha estreita
Para lasers de fibra com cavidade linear, a saída de laser com largura de linha estreita em modo longitudinal único é obtida encurtando-se o comprimento do ressonador e aumentando o intervalo entre os modos longitudinais. Em 2004, Spiegelberg et al. obtiveram uma saída de laser com largura de linha estreita em modo longitudinal único, de 2 kHz, utilizando o método de cavidade curta DBR. Em 2007, Shen et al. utilizaram uma fibra de silício de 2 cm fortemente dopada com érbio para gravar uma FBG em uma fibra fotossensível codopada com Bi-Ge, fundindo-a com uma fibra ativa para formar uma cavidade linear compacta, resultando em uma largura de linha de saída de laser inferior a 1 kHz. Em 2010, Yang et al. utilizaram uma cavidade linear curta de 2 cm altamente dopada, combinada com um filtro FBG de banda estreita, para obter uma saída de laser em modo longitudinal único com largura de linha inferior a 2 kHz. Em 2014, a equipe utilizou 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. utilizaram uma estrutura de cavidade curta de 1,4 cm para obter uma saída de laser polarizada com potência superior a 114 mW, comprimento de onda central de 1540,3 nm e largura de linha de 4,1 kHz. Em 2013, Meng et al. utilizaram o 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, com baixo ruído de fase e potência de saída de 10 mW. Em 2015, a equipe utilizou uma cavidade de anel composta por 45 cm de fibra dopada com érbio como meio de ganho de espalhamento Brillouin para obter uma saída de laser com baixo limiar e largura de linha estreita.
Figura 2 (a) Desenho esquemático do laser de fibra SLC;
(b) Perfil da linha do sinal heterodino medido com atraso de fibra de 97,6 km
Data da publicação: 20/11/2023