تقنية مصدر الليزر لاستشعار الألياف الضوئية الجزء الأول

تكنولوجيا مصدر الليزر لالألياف البصريةاستشعار الجزء الأول

تعتبر تقنية استشعار الألياف الضوئية نوعًا من تقنيات الاستشعار التي تم تطويرها إلى جانب تقنية الألياف الضوئية وتكنولوجيا الاتصالات الألياف الضوئية ، وأصبحت واحدة من أكثر الفروع نشاطًا في تكنولوجيا كهروضوئية. يتكون نظام استشعار الألياف الضوئية بشكل أساسي من الليزر وألياف النقل وعنصر الاستشعار أو منطقة التعديل والكشف عن الضوء وأجزاء أخرى. تشمل المعلمات التي تصف خصائص موجة الضوء الكثافة ، الطول الموجي ، الطور ، حالة الاستقطاب ، إلخ. قد يتم تغيير هذه المعلمات عن طريق التأثيرات الخارجية في انتقال الألياف البصرية. على سبيل المثال ، عندما تؤثر درجة الحرارة والسلالة والضغط والتيار والاضطراب والاهتزاز والدوران والانحناء والكمية الكيميائية على المسار البصري ، تتغير هذه المعلمات في المقابل. يعتمد استشعار الألياف الضوئية على العلاقة بين هذه المعلمات والعوامل الخارجية للكشف عن الكميات المادية المقابلة.

هناك العديد من أنواعمصدر الليزرتستخدم في أنظمة استشعار الألياف الضوئية ، والتي يمكن تقسيمها إلى فئتين: متماسكمصادر الليزرومصادر الضوء غير المتماسكة ، غير متماسكةمصادر الضوءتشمل بشكل أساسي الثنائيات المتوهجة والثنائيات الباعثة للضوء ، ومصادر الضوء المتماسكة تشمل الليزر الصلبة ، وأشعة الليزر السائل ، وأشعة الليزر الغازية ،ليزر أشباه الموصلاتوليزر الألياف. فيما يلي أساسًا لمصدر ضوء الليزريستخدم على نطاق واسع في مجال استشعار الألياف في السنوات الأخيرة: خط الضيق خط التردد أحادي التردد ، ليزر التردد الواحد ذات الطول الموجي والليزر الأبيض.

1.1 متطلبات عرض الخط الضيقمصادر ضوء الليزر

لا يمكن فصل نظام استشعار الألياف الضوئية عن مصدر الليزر ، حيث أن موجة ضوء الناقل الناقلة المقاسة ، ومصدر ضوء الليزر نفسه أداء ، مثل استقرار الطاقة ، عرض خط الليزر ، ضوضاء الطور وغيرها من المعلمات على مسافة الكشف عن نظام استشعار الألياف البصرية ، ودقة الكشف ، والتحديد وخصائص الضوضاء تلعب دورًا حاسمًا. في السنوات الأخيرة ، مع تطوير أنظمة استشعار الألياف البصرية فائقة الدقة الطويلة ، قدمت الأوساط الأكاديمية والصناعة متطلبات أكثر صرامة لأداء عرض الخطوط المصغرة للليزر ، وخاصة في: انعكاس مجال التردد البصري (OFDR) تستخدم تقنية الكشف المتماسكة للدخول إلى الظهر. متر). أصبحت مزايا الدقة العالية (الدقة على مستوى المليمتر) وحساسية عالية (تصل إلى -100 ديسيبل) واحدة من التقنيات التي لديها آفاق تطبيقات واسعة في قياس الألياف البصرية الموزعة وتكنولوجيا الاستشعار. يتمثل جوهر تقنية OFDR في استخدام مصدر الضوء القابل للضبط لتحقيق ضبط التردد البصري ، وبالتالي يحدد أداء مصدر الليزر العوامل الرئيسية مثل نطاق الكشف عن OFDR والحساسية والدقة. عندما تكون مسافة نقطة الانعكاس قريبة من طول التماسك ، سيتم تخفيف شدة إشارة Beat بشكل كبير بواسطة معامل τ/τc. بالنسبة لمصدر الضوء الغوسي ذو الشكل الطيفي ، من أجل التأكد من أن تواتر النبض لديه أكثر من 90 ٪ من الرؤية ، فإن العلاقة بين عرض خط المصدر للضوء والطول القصوى الذي يمكن أن يحققه النظام هو LMAX ~ 0.04VG/F ، مما يعني أنه بالنسبة إلى الألياف بطول 80 كم ، يكون عرض خط الضوء أقل من 100 ساعة. بالإضافة إلى ذلك ، طرح تطوير التطبيقات الأخرى متطلبات أعلى لعرض خط المصباح. على سبيل المثال ، في نظام الهيدروفون الألياف الضوئية ، يحدد عرض خط المصباح ضوضاء النظام ويحدد أيضًا الإشارة القابلة للقياس للنظام. في عاكس المجال البصري البصري (BOTDR) ، يتم تحديد دقة قياس درجة الحرارة والإجهاد بشكل رئيسي عن طريق عرض خط الضوء. في جيررو الألياف المرن ، يمكن زيادة طول التماسك للموجة الخفيفة عن طريق تقليل عرض خط المصدر للضوء ، وبالتالي تحسين عمق الرنين والرنين ، مما يقلل من عرض خط الرنان ، وضمان دقة القياس في جيرو الألياف.

1.2 متطلبات مصادر الليزر المسح

يحتوي الليزر أحادي الطول الموجي على أداء لضبط الطول الموجي المرن ، ويمكن أن يحل محل أشعة الليزر ذات الطول الموجي الثابتة المتعددة ، ويقلل من تكلفة بناء النظام ، وهو جزء لا غنى عنه من نظام استشعار الألياف البصرية. على سبيل المثال ، في استشعار ألياف الغاز النزرة ، تحتوي أنواع مختلفة من الغازات على قمم امتصاص الغاز المختلفة. من أجل ضمان كفاءة امتصاص الضوء عندما يكون غاز القياس كافياً ويحقق حساسية قياس أعلى ، من الضروري محاذاة الطول الموجي لمصدر ضوء الإرسال مع ذروة امتصاص جزيء الغاز. يتم تحديد نوع الغاز الذي يمكن اكتشافه بشكل أساسي عن طريق الطول الموجي لمصدر ضوء الاستشعار. لذلك ، فإن الليزر الضيق خطوط الخطية مع أداء ضبط النطاق العريض المستقر لديها مرونة قياس أعلى في أنظمة الاستشعار هذه. على سبيل المثال ، في بعض أنظمة استشعار الألياف البصرية الموزعة على أساس انعكاس مجال التردد البصري ، يجب أن يكون الليزر سريعًا بشكل دوري لتحقيق اكتشاف متماسك عالي الدقة ، وعادة ما يكون معدل التشكيل الضوئي مطلوبًا للوصول إلى 10 PM/μs. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أيضًا استخدام الليزر الضيق الطول الموجي القابل للضبط على نطاق واسع في LIDAR ، والاستشعار عن بعد بالليزر والتحليل الطيفي عالي الدقة وحقول الاستشعار الأخرى. من أجل تلبية متطلبات المعلمات عالية الأداء لعرض النطاق الترددي للضبط ، ودقة الضبط وسرعة ضبط الليزر ذات الطول الموجي في مجال استشعار الألياف ، فإن الهدف العام لدراسة ليزر الألياف الضيقة القابلة للضبط في السنوات الأخيرة ، هو تحقيق انقطاع عالي التحديد في نطاق طول موجي أكبر ، تردد الإخراج والقوة.

1.3 الطلب على مصدر ضوء الليزر الأبيض

في مجال الاستشعار البصري ، يعد ليزر الضوء الأبيض عالي الجودة ذا أهمية كبيرة لتحسين أداء النظام. كلما كانت تغطية الطيف للليزر الأبيض الأوسع ، زاد تطبيقها في نظام استشعار الألياف الضوئية. على سبيل المثال ، عند استخدام الألياف Bragg Grating (FBG) لإنشاء شبكة استشعار ، يمكن استخدام تحليل طيفي أو طريقة مطابقة المرشح القابلة للضبط لإزالة التشكيل. السابق استخدم مطيافًا لاختبار كل طول موجة رنين FBG مباشرة في الشبكة. يستخدم الأخير مرشح مرجعي لتتبع ومعايرة FBG في الاستشعار ، وكلاهما يتطلب مصدر ضوء النطاق العريض كمصدر لضوء اختبار FBG. نظرًا لأن كل شبكة وصول لـ FBG سيكون لها خسارة إدراج معينة ، ولديها عرض نطاق ترددي تزيد عن 0.1 نانومتر ، فإن إزالة التشكيل المتزامن لـ FBG متعددة يتطلب مصدرًا للضوء عريض النطاق مع طاقة عالية وعرض النطاق الترددي العالي. على سبيل المثال ، عند استخدام صريف الألياف الطويلة (LPFG) للاستشعار ، نظرًا لأن عرض النطاق الترددي لذروة الخسارة الواحدة في حدود 10 نانومتر ، يلزم وجود مصدر واسع للضوء مع عرض نطاق كافٍ وطيف مسطح نسبيًا لتوصيف خصائص ذروة الرنين بدقة. على وجه الخصوص ، يمكن أن يحقق صريف الألياف الصوتية (AIFG) التي تم إنشاؤها عن طريق استخدام التأثير الصوتي الضوئي نطاق ضبط من الطول الموجي الرنيب الذي يصل إلى 1000 نانومتر عن طريق ضبط كهربائي. لذلك ، يشكل اختبار الصرف الديناميكي بمدى ضبط هذا النطاق فائق الواسعة تحديًا كبيرًا لنطاق عرض النطاق الترددي لمصدر ضوء الطيف العريض. وبالمثل ، في السنوات الأخيرة ، تم استخدام صريف ألياف Bragg المائلة على نطاق واسع في مجال استشعار الألياف. نظرًا لخصائص طيف فقدان الذروة المتعددة ، يمكن أن يصل نطاق توزيع الطول الموجي إلى 40 نانومتر. عادة ما تكون آلية الاستشعار الخاصة بها هي مقارنة الحركة النسبية بين قمم الإرسال المتعددة ، لذلك من الضروري قياس طيف الإرسال تمامًا. يجب أن تكون عرض النطاق الترددي وقوة مصدر ضوء الطيف الواسع أعلى.

2. حالة البحث في الداخل والخارج

2.1 مصباح ضوء الليزر

2.1.1 ضيقة الخطوط الترويجية الموزعة للتشكل الموزع

في عام 2006 ، كليشيه وآخرون. خفض مقياس MHz من أشباه الموصلاتDFB ليزر(ليزر التغذية المرتدة الموزعة) إلى مقياس KHZ باستخدام طريقة التغذية المرتدة الكهربائية ؛ في عام 2011 ، كيسلر وآخرون. تستخدم درجة الحرارة المنخفضة والاستقرار العالي تجويف البلورة المفردة مع التحكم في التغذية المرتدة النشطة للحصول على ناتج ليزر خط خط الوراثة للغاية من 40 ميغاهيرتز ؛ في عام 2013 ، حصل Peng et al على إخراج ليزر أشباه الموصلات مع عرض خط خط واحد من 15 كيلو هرتز باستخدام طريقة تعديل التغذية المرتدة Fabry-Perot (FP) الخارجي. تستخدم طريقة التغذية المرتدة الكهربائية بشكل أساسي التغذية المرتدة من الترددات في التردد في قاعة البركة لجعل عرض خط الليزر لمصدر الضوء. في عام 2010 ، بيرنهاردي وآخرون. أنتجت 1 سم من ألومينا FBG المزج في Erbium على ركيزة أكسيد السيليكون للحصول على إخراج الليزر مع عرض خط حوالي 1.7 كيلو هرتز. في نفس العام ، ليانغ وآخرون. استخدمت ردود فعل الحقن الذاتي للتشتت المتخلف عن رايليج الذي يتكون من مرنان جدار صدى عالي Q لضغط عرض خط ليزر أشباه الموصلات ، كما هو موضح في الشكل 1 ، وأخيراً حصل على إخراج ليزر ضيق خط الضيق من 160 هرتز.

الشكل 1 (أ) رسم تخطيطي لضغط خطوط ليزر أشباه أشباه الموصلات استنادًا إلى انتزاع حقن ذاتي رنح مرنان وضع معرض الهمسة الخارجي ؛
(ب) طيف التردد من ليزر أشباه الموصلات المجاني مع عرض خط 8 ميغاهيرتز ؛
(ج) طيف التردد من الليزر مع خط خط مضغوط إلى 160 هرتز
2.1.2 ضيقة ليزر الألياف

بالنسبة لليزر ألياف التجويف الخطي ، يتم الحصول على إخراج ليزر الخطية الضيقة من الوضع الطولي المفرد عن طريق تقصير طول الرنان وزيادة الفاصل الزمني للوضع الطولي. في عام 2004 ، Spiegelberg et al. تم الحصول على وضع ليزر خطية طولية واحدة مع عرض خط خط واحد من 2 كيلو هرتز باستخدام طريقة التجويف القصيرة DBR. في عام 2007 ، شين وآخرون. استخدمت ألياف السيليكون المزخرفة بكثافة 2 سم لكتابة FBG على ألياف حساسة للمشتركين في GE ، وقامت بدمجها بألياف نشطة لتشكيل تجويف خطي مضغوط ، مما يجعل عرض خط الإخراج بالليزر أقل من 1 كيلو هرتز. في عام 2010 ، يانغ وآخرون. تستخدم تجويف خطي قصير مخدر للغاية 2 سم مع مرشح FBG ضيق النطاق للحصول على إخراج ليزر وضع واحد طولي مع عرض خط أقل من 2 كيلو هرتز. في عام 2014 ، استخدم الفريق تجويفًا خطيًا قصيرًا (مرنان حلقة مطوي افتراضي) مع مرشح FBG-FP للحصول على إخراج الليزر مع عرض خط أضيق ، كما هو مبين في الشكل 3. في عام 2012 ، Cai et al. استخدم بنية تجويف قصيرة 1.4 سم للحصول على إخراج ليزر استقطاب مع طاقة إخراج أكبر من 114 ميجاوات ، وطول موجة مركزي يبلغ 1540.3 نانومتر ، وعرض خط 4.1 كيلو هرتز. في عام 2013 ، منغ وآخرون. تستخدم نثر Brillouin من الألياف المخدرة erbium مع تجويف حلقة قصيرة لجهاز الحفاظ على التحيز الكامل للحصول على وضع واحد طويل الطويل ، ناتج ليزر الضوضاء منخفضة الطور مع طاقة إخراج 10 ميجاوات. في عام 2015 ، استخدم الفريق تجويفًا يتكون من الألياف التي يبلغ عددها 45 سم مع إيربيوم كألياف متتالية في بيلوين ، للحصول على عتبة منخفضة وضيقة ليزر الخطية.

الشكل 2 (أ) الرسم التخطيطي للليزر الألياف SLC ؛
(ب) شريط lineshing من إشارة heterodyne المقاسة بتأخير الألياف 97.6 كم