Laserboarnetechnology foaroptyske glêstriedsensing Diel Ien
Optyske glêstriedsensortechnology is in soarte sensortechnology dy't ûntwikkele is tegearre mei optyske glêstriedtechnology en optyske glêstriedkommunikaasjetechnology, en it is ien fan 'e aktyfste tûken fan fotoelektryske technology wurden. In optysk glêstriedsensorsysteem bestiet benammen út in laser, in transmissiefaser, in sensorelemint of modulaasjegebiet, ljochtdeteksje en oare ûnderdielen. De parameters dy't de skaaimerken fan in ljochtweach beskriuwe, omfetsje yntensiteit, golflingte, faze, polarisaasjetastân, ensfh. Dizze parameters kinne feroare wurde troch eksterne ynfloeden yn 'e transmissie fan optyske glêstried. Bygelyks, as temperatuer, spanning, druk, stroom, ferpleatsing, trilling, rotaasje, bûging en gemyske hoemannichte it optyske paad beynfloedzje, feroarje dizze parameters oerienkommende. Optyske glêstriedsensory is basearre op 'e relaasje tusken dizze parameters en eksterne faktoaren om de oerienkommende fysike hoemannichten te detektearjen.
Der binne in soad soarten fanlaserboarnebrûkt yn optyske glêstriedsensorsystemen, dy't kinne wurde ferdield yn twa kategoryen: koherintlaserboarnenen ynkoherinte ljochtboarnen, ynkoherintljochtboarnenomfetsje benammen gloeiljocht en ljochtútstjittende diodes, en koherinte ljochtboarnen omfetsje fêste lasers, floeibere lasers, gaslasers,healgeleiderlaserenglêstriedlaserIt folgjende is benammen foar delaserljochtboarnein soad brûkt op it mêd fan glêstrieddeteksje yn 'e lêste jierren: smelle linebreedte single-frekwinsje laser, single-golflingte sweepfrekwinsje laser en wite laser.
1.1 Easken foar smelle linebreedtelaserljochtboarnen
It optyske glêstriedsensorsysteem kin net skieden wurde fan 'e laserboarne, om't de mjitten ljochtweach fan it sinjaal, de prestaasjes fan 'e laserljochtboarne sels, lykas krêftstabiliteit, laserlinebreedte, fazerûs en oare parameters op 'e deteksjeôfstân, deteksjenauwkeurigens, gefoelichheid en lûdskarakteristiken fan it optyske glêstriedsensorsysteem in beslissende rol spylje. Yn 'e ôfrûne jierren, mei de ûntwikkeling fan ultra-hege resolúsje optyske glêstriedsensorsystemen op lange ôfstân, hawwe de akademy en de yndustry strangere easken steld foar de linebreedteprestaasjes fan laserminiaturisaasje, benammen yn: optyske frekwinsjedomeinrefleksje (OFDR) technology brûkt koherinte deteksjetechnology om de backrayleigh-fersprate sinjalen fan optyske glêstrieds yn it frekwinsjedomein te analysearjen, mei in brede dekking (tûzenen meters). De foardielen fan hege resolúsje (millimeternivo-resolúsje) en hege gefoelichheid (oant -100 dBm) binne ien fan 'e technologyen wurden mei brede tapassingsperspektiven yn ferspraat optyske glêstriedmjitting en deteksjetechnology. De kearn fan OFDR-technology is it brûken fan in ôfstimmbere ljochtboarne om optyske frekwinsjeôfstimming te berikken, sadat de prestaasjes fan 'e laserboarne de kaaifaktoren bepale lykas OFDR-deteksjeberik, gefoelichheid en resolúsje. As de ôfstân fan it refleksjepunt ticht by de koherinsjelingte leit, sil de yntensiteit fan it beatsignaal eksponentiell ferswakke wurde mei de koëffisjint τ/τc. Foar in Gaussyske ljochtboarne mei in spektrale foarm, om te soargjen dat de beatfrekwinsje mear as 90% sichtberens hat, is de relaasje tusken de linebreedte fan 'e ljochtboarne en de maksimale deteksjelingte dy't it systeem berikke kin Lmax~0.04vg/f, wat betsjut dat foar in glêstried mei in lingte fan 80 km de linebreedte fan 'e ljochtboarne minder is as 100 Hz. Derneist stelt de ûntwikkeling fan oare tapassingen ek hegere easken foar de linebreedte fan 'e ljochtboarne. Bygelyks, yn it optyske glêstriedhydrofoansysteem bepaalt de linebreedte fan 'e ljochtboarne de systeemrûs en bepaalt ek it minimaal mjitbere sinjaal fan it systeem. Yn Brillouin optyske tiiddomeinreflektor (BOTDR) wurdt de mjitresolúsje fan temperatuer en spanning benammen bepaald troch de linebreedte fan 'e ljochtboarne. Yn in resonator glêstriedgyro kin de koherinsjelingte fan 'e ljochtweach fergrutte wurde troch de linebreedte fan 'e ljochtboarne te ferminderjen, wêrtroch't de fynens en resonânsjedjipte fan 'e resonator ferbettere wurde, de linebreedte fan 'e resonator fermindere wurdt, en de mjitnauwkeurigens fan 'e glêstriedgyro garandearre wurdt.
1.2 Easken foar sweep-laserboarnen
In laser mei ien golflingte hat fleksibele golflingte-ôfstimmingsprestaasjes, kin meardere útfierlasers mei fêste golflingte ferfange, de kosten fan systeembou ferminderje, en is in ûnmisber ûnderdiel fan in optysk glêstrieddeteksjesysteem. Bygelyks, by it detektearjen fan spoargasfaser hawwe ferskate soarten gassen ferskillende gasabsorpsjepieken. Om de ljochtabsorpsje-effisjinsje te garandearjen as it mjitgas genôch is en in hegere mjitgefoelichheid te berikken, is it nedich om de golflingte fan 'e transmissieljochtboarne ôf te stimmen mei de absorpsjepiek fan it gasmolekule. It type gas dat detektearre wurde kin, wurdt yn essinsje bepaald troch de golflingte fan 'e deteksjeljochtboarne. Dêrom hawwe smelle linebreedtelasers mei stabile breedbân-ôfstimmingsprestaasjes in hegere mjitfleksibiliteit yn sokke deteksjesystemen. Bygelyks, yn guon ferspraat optyske glêstrieddeteksjesystemen basearre op refleksje yn it optyske frekwinsjedomein, moat de laser rap periodyk sweept wurde om hege-presyzje koherinte deteksje en demodulaasje fan optyske sinjalen te berikken, sadat de modulaasjesnelheid fan 'e laserboarne relatyf hege easken hat, en de sweepsnelheid fan 'e ferstelbere laser moat meastentiids 10 pm/μs berikke. Derneist kin de golflingte-ôfstimmbere smelle linebreedtelaser ek breed brûkt wurde yn liDAR, laser-ôfstânswaarneming en hege-resolúsje spektrale analyze en oare sensorfjilden. Om te foldwaan oan de easken fan hege prestaasjesparameters fan ôfstimmbânbreedte, ôfstimmnauwkeurigens en ôfstimmsnelheid fan iengolflingtelasers op it mêd fan glêstriedwaarneming, is it algemiene doel fan it bestudearjen fan ôfstimmbere smelle linebreedtelasers yn 'e lêste jierren om hege-presyzje ôfstimming te berikken yn in grutter golflingteberik op basis fan it neistribjen fan ultra-smelle laserlinebreedte, ultra-lege fazerûs, en ultra-stabile útfierfrekwinsje en krêft.
1.3 Fraach nei wite laserljochtboarne
Op it mêd fan optyske deteksje is in hege kwaliteit wite ljochtlaser fan grut belang om de prestaasjes fan it systeem te ferbetterjen. Hoe breder de spektrumdekking fan in wite ljochtlaser, hoe wiidweidiger de tapassing yn in optysk glêstrieddeteksjesysteem. Bygelyks, by it brûken fan glêstried-Bragg-rooster (FBG) om in sensornetwurk te bouwen, kin spektrale analyze of in ôfstimmbere filtermatchingmetoade brûkt wurde foar demodulaasje. De earste brûkte in spektrometer om elke resonante golflingte fan 'e FBG yn it netwurk direkt te testen. De lêste brûkt in referinsjefilter om de FBG yn 'e deteksje te folgjen en te kalibrearjen, dy't beide in breedbânljochtboarne fereaskje as testljochtboarne foar de FBG. Omdat elk FBG-tagongsnetwurk in bepaald ynfoegingsferlies sil hawwe, en in bânbreedte fan mear as 0,1 nm hat, fereasket de simultane demodulaasje fan meardere FBG in breedbânljochtboarne mei hege krêft en hege bânbreedte. Bygelyks, by it brûken fan lange perioade glêstriedrooster (LPFG) foar deteksje, om't de bânbreedte fan in inkele ferliespyk yn 'e oarder fan 10 nm is, is in breedspektrum ljochtboarne mei foldwaande bânbreedte en relatyf flak spektrum nedich om syn resonante pykkarakteristiken sekuer te karakterisearjen. Benammen akoestyske glêstriedrooster (AIFG) konstruearre troch gebrûk te meitsjen fan akoestysk-optysk effekt kin in ôfstimmingsberik fan resonante golflingte oant 1000 nm berikke troch middel fan elektryske ôfstimming. Dêrom foarmet dynamyske roostertesten mei sa'n ultrabreed ôfstimmingsberik in grutte útdaging foar it bânbreedteberik fan in breedspektrum ljochtboarne. Op deselde wize is de lêste jierren tilted Bragg-glêsried ek in soad brûkt op it mêd fan glêstrieddeteksje. Fanwegen syn meardere pykferliesspektrumkarakteristiken kin it golflingteferdielingsberik meastal 40 nm berikke. It deteksjemeganisme is meastal om de relative beweging tusken meardere transmissiepiken te fergelykjen, dus it is needsaaklik om it transmissiespektrum folslein te mjitten. De bânbreedte en krêft fan 'e breedspektrum ljochtboarne moatte heger wêze.
2. Undersyksstatus yn binnen- en bûtenlân
2.1 Smelle linebreedte laserljochtboarne
2.1.1 Smelle linebreedte healgeleider ferspraat feedbacklaser
Yn 2006 fermindere Cliche et al. de MHz-skaal fan healgeleidersDFB-laser(ferspraat feedbacklaser) nei kHz-skaal mei help fan elektryske feedbackmetoade; Yn 2011 brûkten Kessler et al. in lege temperatuer en hege stabiliteits ienkristalholte kombineare mei aktive feedbackkontrôle om in ultra-smelle linebreedte laserútfier fan 40 MHz te krijen; Yn 2013 krigen Peng et al. in healgeleiderlaserútfier mei in linebreedte fan 15 kHz troch gebrûk te meitsjen fan de metoade fan eksterne Fabry-Perot (FP) feedbackoanpassing. De elektryske feedbackmetoade brûkte benammen de Pond-Drever-Hall frekwinsjestabilisaasjefeedback om de laserlinebreedte fan 'e ljochtboarne te ferminderjen. Yn 2010 produsearren Bernhardi et al. 1 cm fan erbium-dopearre alumina FBG op in silisiumoksidesubstraat om in laserútfier te krijen mei in linebreedte fan sawat 1,7 kHz. Yn itselde jier, Liang et al. brûkte de sels-ynjeksjefeedback fan efterútgeande Rayleigh-fersprieding foarme troch in hege-Q echomuorreresonator foar kompresje fan healgeleiderlaserlinebreedte, lykas te sjen is yn figuer 1, en krige úteinlik in smelle linebreedtelaserútfier fan 160 Hz.
Fig. 1 (a) Diagram fan kompresje fan in healgeleiderlaser yn 'e breedte basearre op 'e sels-ynjeksje Rayleigh-fersprieding fan 'e eksterne fluistergalerymodusresonator;
(b) Frekwinsjespektrum fan 'e frijrinnende healgeleiderlaser mei in linebreedte fan 8 MHz;
(c) Frekwinsjespektrum fan 'e laser mei linebreedte komprimearre ta 160 Hz
2.1.2 Smelle linebreedtefaserlaser
Foar lineêre holtefaserlasers wurdt de smelle linebreedte-laserútfier fan ienige longitudinale modus krigen troch de lingte fan 'e resonator te koarterjen en it longitudinale modusynterval te fergrutsjen. Yn 2004 krigen Spiegelberg et al. in ienige longitudinale modus smelle linebreedte-laserútfier mei in linebreedte fan 2 kHz mei help fan 'e DBR-koarte holtemetoade. Yn 2007 brûkten Shen et al. in 2 sm swier erbium-dopearre silisiumfaser om FBG te skriuwen op in Bi-Ge ko-dopearre ljochtgefoelige glêstried, en fusearren it mei in aktive glêstried om in kompakte lineêre holte te foarmjen, wêrtroch't de laserútfierlinebreedte minder dan 1 kHz wie. Yn 2010 brûkten Yang et al. in 2 sm heech dopearre koarte lineêre holte kombineare mei in smelle bân FBG-filter om in ienige longitudinale moduslaserútfier te krijen mei in linebreedte fan minder dan 2 kHz. Yn 2014 brûkte it team in koarte lineêre holte (firtuele folded ringresonator) kombineare mei in FBG-FP-filter om in laserútfier te krijen mei in smelle linebreedte, lykas te sjen is yn figuer 3. Yn 2012 brûkten Cai et al. in koarte holtestruktuer fan 1,4 sm om in polarisearjende laserútfier te krijen mei in útfierfermogen grutter as 114 mW, in sintrale golflingte fan 1540,3 nm, en in linebreedte fan 4,1 kHz. Yn 2013 brûkten Meng et al. Brillouin-fersprieding fan erbium-dopearre glêstried mei in koarte ringholte fan in full-bias-behâldapparaat om in single-longitudinale modus, leech-faze rûslaserútfier te krijen mei in útfierfermogen fan 10 mW. Yn 2015 brûkte it team in ringholte gearstald út 45 sm erbium-dopearre glêstried as it Brillouin-ferspriedingsfersterkingsmedium om in laserútfier mei lege drompel en smelle linebreedte te krijen.
Fig. 2 (a) Skematyske tekening fan 'e SLC-faserlaser;
(b) Linyfoarm fan it heterodyne-sinjaal metten mei in glêstriedfertraging fan 97,6 km
Pleatsingstiid: 20 novimber 2023