فناوری منبع لیزر برای سنجش فیبر نوری قسمت یک

فناوری منبع لیزر برایفیبر نوریسنجش قسمت اول

فناوری سنجش فیبر نوری نوعی فناوری سنجش است که همراه با فناوری فیبر نوری و فناوری ارتباطات فیبر نوری ساخته شده است و به یکی از فعال ترین شاخه های فناوری فوتوالکتریک تبدیل شده است. سیستم سنجش فیبر نوری عمدتاً از لیزر ، فیبر انتقال ، عنصر سنجش یا منطقه مدولاسیون ، تشخیص نور و سایر قسمت ها تشکیل شده است. پارامترهای توصیف ویژگی های موج نور شامل شدت ، طول موج ، فاز ، حالت قطبش و غیره است. این پارامترها ممکن است با تأثیرات خارجی در انتقال فیبر نوری تغییر یابد. به عنوان مثال ، هنگامی که دما ، کرنش ، فشار ، جریان ، جابجایی ، لرزش ، چرخش ، خمش و مقدار شیمیایی بر مسیر نوری تأثیر می گذارد ، این پارامترها به طور متناوب تغییر می کنند. سنجش فیبر نوری مبتنی بر رابطه بین این پارامترها و عوامل خارجی برای تشخیص مقادیر فیزیکی مربوطه است.

انواع مختلفی وجود داردمنبع لیزریمورد استفاده در سیستم های سنجش فیبر نوری ، که می تواند به دو دسته تقسیم شود: منسجممنابع لیزریو منابع نور ناهماهنگ ، ناسازگارمنابع نوربه طور عمده شامل دیودهای نوری و نور نوری و نوری است ، و منابع نوری منسجم شامل لیزرهای جامد ، لیزر مایع ، لیزرهای گاز ،لیزر نیمه هادیوتلیزر فیبربشر موارد زیر عمدتاً برایمنبع نور لیزربه طور گسترده در زمینه سنجش فیبر در سالهای اخیر مورد استفاده قرار می گیرد: لیزر تک فرکانس با عرض خط باریک ، لیزر فرکانس جابجایی تک موج و لیزر سفید.

1.1 الزامات برای پهنای باریک باریکمنابع نور لیزر

سیستم سنجش فیبر نوری نمی تواند از منبع لیزر جدا شود ، زیرا موج نور حامل سیگنال اندازه گیری شده ، منبع نور لیزر عملکرد خود عملکرد ، مانند پایداری برق ، پهنای لیزر ، نویز فاز و سایر پارامترها در فاصله تشخیص سیستم سنجش فیبر نوری ، دقت تشخیص ، حساسیت و خصوصیات نویز نقش تعیین کننده ای دارد. در سالهای اخیر ، با توسعه سیستم های سنجش فیبر نوری با وضوح فوق العاده بالا ، دانشگاهی و صنعت نیازهای دقیق تری را برای عملکرد خط مینیاتوریزاسیون لیزر مطرح کرده اند ، به طور عمده در: بازتاب دامنه فرکانس نوری (از فناوری) از فناوری تشخیص منسجم برای تجزیه و تحلیل کم پشتی های پتکور در سطح فرکانس در سطح فرکانس های فرکانس در سطح فرکانس های پراکنده استفاده می کند. مزایای وضوح بالا (وضوح سطح میلی متر) و حساسیت بالا (حداکثر -100 dBm) به یکی از فناوری هایی با چشم انداز کاربرد گسترده در اندازه گیری فیبر نوری توزیع شده و فناوری سنجش تبدیل شده است. هسته اصلی فناوری استفاده از منبع نور قابل تنظیم برای دستیابی به تنظیم فرکانس نوری است ، بنابراین عملکرد منبع لیزر عوامل اصلی مانند دامنه تشخیص DRD ، حساسیت و وضوح را تعیین می کند. هنگامی که فاصله نقطه بازتاب نزدیک به طول انسجام باشد ، شدت سیگنال ضرب و شتم به صورت نمایی با ضریب τ/τc ضعیف می شود. برای یک منبع نور گاوسی با شکل طیفی ، به منظور اطمینان از اینکه فرکانس ضرب و شتم بیش از 90 ٪ دید دارد ، رابطه بین عرض خط منبع نور و حداکثر طول سنجش که می تواند به آن دست یابد ، 0.04VG/F LMAX است ، به این معنی که برای یک فیبر با طول 80 کیلومتر ، عرض خط منبع نور کمتر از 100 هرتز است. علاوه بر این ، توسعه برنامه های دیگر نیز الزامات بالاتری را برای عرض خط منبع نور ارائه می دهد. به عنوان مثال ، در سیستم هیدروفون فیبر نوری ، خط پهنای منبع نور نویز سیستم را تعیین می کند و همچنین حداقل سیگنال قابل اندازه گیری سیستم را تعیین می کند. در بازتابنده دامنه زمان نوری بریلوین (BOTDR) ، وضوح اندازه گیری دما و استرس عمدتاً توسط پهنای خط منبع نور تعیین می شود. در یک ژیرو فیبر نوری طنین انداز ، با کاهش عرض خط منبع نور می توان طول انسجام موج نور را افزایش داد و از این طریق ظرافت و عمق تشدید کننده طنین انداز ، کاهش عرض خط طنین انداز و اطمینان از صحت اندازه گیری فیبر اپتیک جیرو.

1.2 مورد نیاز برای منابع لیزر جارو

لیزر جارو با طول موج تک دارای عملکرد تنظیم طول موج انعطاف پذیر است ، می تواند جایگزین لیزرهای طول موج ثابت خروجی ، کاهش هزینه ساخت سیستم شود ، بخشی ضروری از سیستم سنجش فیبر نوری است. به عنوان مثال ، در سنجش فیبر گاز ردیابی ، انواع مختلف گازها دارای قله های مختلف جذب گاز هستند. به منظور اطمینان از راندمان جذب نور در هنگام اندازه گیری گاز و دستیابی به حساسیت اندازه گیری بالاتر ، لازم است طول موج منبع نور انتقال را با اوج جذب مولکول گاز تراز کنید. نوع گاز که می توان تشخیص داد ، اساساً با طول موج منبع نور سنجش تعیین می شود. بنابراین ، لیزرهای باریک خط باریک با عملکرد تنظیم پهنای باند پایدار از انعطاف پذیری اندازه گیری بالاتری در چنین سیستم های سنجش برخوردار هستند. به عنوان مثال ، در برخی از سیستم های سنجش فیبر نوری توزیع شده بر اساس بازتاب دامنه فرکانس نوری ، لیزر برای دستیابی به تشخیص منسجم با دقت بالا و از بین بردن سیگنال های نوری باید به سرعت به صورت دوره ای جارو شود ، بنابراین میزان مدولاسیون منبع لیزر نیازهای نسبتاً بالایی دارد ، و سرعت جارویی از لیزر قابل تنظیم معمولاً به 10 PM/Ors می رسد. علاوه بر این ، لیزر پهنای باند باریک طول موج نیز می تواند به طور گسترده ای در LIDAR ، سنجش از راه دور لیزر و تجزیه و تحلیل طیفی با وضوح بالا و سایر زمینه های سنجش استفاده شود. به منظور برآورده کردن الزامات پارامترهای با کارایی بالا از پهنای باند تنظیم ، دقت تنظیم و سرعت تنظیم لیزرهای با طول موج در زمینه سنجش فیبر ، هدف کلی مطالعه لیزرهای فیبر با عرض باریک تنظیم در سالهای اخیر ، دستیابی به تنظیمات با دقت بالا در محدوده موج بزرگتر ، بر اساس Ultra-Narraw Line Line LaSer LaSer Lastth قدرت

1.3 تقاضا برای منبع نور لیزر سفید

در زمینه سنجش نوری ، لیزر نور سفید با کیفیت بالا برای بهبود عملکرد سیستم از اهمیت بالایی برخوردار است. هرچه پوشش طیف لیزر نور سفید گسترده تر باشد ، کاربرد آن در سیستم سنجش فیبر نوری گسترده تر است. به عنوان مثال ، هنگام استفاده از فیبر Bragg Grating (FBG) برای ساختن یک شبکه حسگر ، تجزیه و تحلیل طیفی یا روش تطبیق فیلتر قابل تنظیم می تواند برای تخریب استفاده شود. اولی از طیف سنج برای آزمایش مستقیم هر طول موج رزونانس FBG در شبکه استفاده کرد. حالت دوم از یک فیلتر مرجع برای ردیابی و کالیبراسیون FBG در سنجش استفاده می کند ، که هر دو به یک منبع نور باند پهن به عنوان منبع نور آزمایش برای FBG نیاز دارند. از آنجا که هر شبکه دسترسی FBG از بین رفتن خاصی برخوردار خواهد بود و دارای پهنای باند بیش از 0.1 نانومتر است ، تخریب همزمان FBG به یک منبع نور باند پهن با قدرت بالا و پهنای باند بالا نیاز دارد. به عنوان مثال ، هنگام استفاده از توری فیبر دوره طولانی (LPFG) برای سنجش ، از آنجا که پهنای باند یک اوج از دست دادن واحد به ترتیب 10 نانومتر است ، یک منبع نور طیف گسترده با پهنای باند کافی و طیف نسبتاً مسطح برای توصیف دقیق ویژگی های اوج رزونانس لازم است. به طور خاص ، توری فیبر آکوستیک (AIFG) ساخته شده با استفاده از اثر آکوستیک-نوری می تواند با استفاده از تنظیم الکتریکی ، به دامنه تنظیم طول موج رزونانس تا 1000 نانومتر برسد. بنابراین ، تست رقیق پویا با چنین محدوده تنظیم فوق العاده گسترده ، یک چالش بزرگ برای دامنه پهنای باند یک منبع نور با طیف گسترده است. به طور مشابه ، در سالهای اخیر ، توری فیبر Bragg کج نیز به طور گسترده در زمینه سنجش فیبر مورد استفاده قرار گرفته است. با توجه به ویژگی های طیف از دست دادن چند اوج ، دامنه توزیع طول موج معمولاً می تواند به 40 نانومتر برسد. مکانیسم سنجش آن معمولاً مقایسه حرکت نسبی در بین قله های انتقال چندگانه است ، بنابراین لازم است طیف انتقال آن به طور کامل اندازه گیری شود. پهنای باند و قدرت منبع نور طیف گسترده ای لازم است.

2. وضعیت تحقیق در خانه و خارج از کشور

2.1 منبع نور لیزر خطوط باریک

2.1.1 خطوط باریک باریک نیمه هادی توزیع شده لیزر بازخورد توزیع شده

در سال 2006 ، کلیشه و همکاران. مقیاس MHz نیمه هادی را کاهش می دهدلیزر DFB(لیزر بازخورد توزیع شده) با استفاده از روش بازخورد الکتریکی. در سال 2011 ، کسلر و همکاران. با استفاده از دمای کم و پایداری بالا از حفره کریستال تک همراه با کنترل بازخورد فعال برای به دست آوردن خروجی لیزر Linewidth Line-Line-Line از 40 مگاهرتز. در سال 2013 ، پنگ و همکاران با استفاده از روش تنظیم بازخورد Fabry-Perot (FP) ، یک لیزر نیمه هادی را با یک پهنای خط 15 کیلوهرتز بدست آوردند. روش بازخورد الکتریکی عمدتاً از بازخورد تثبیت فرکانس حوضچه دور استفاده می کند تا خط لیزر خط منبع نور کاهش یابد. در سال 2010 ، برناردی و همکاران. 1 سانتی متر آلومینا FBG آلومینا دوپ شده بر روی بستر اکسید سیلیکون برای به دست آوردن یک لیزر با عرض خط در حدود 1.7 کیلوهرتز تولید کرد. در همان سال ، لیانگ و همکاران. از بازخورد خود تزریقی از پراکندگی Rayleigh به عقب تشکیل شده توسط یک تشدید کننده دیواره Echo High-Q برای فشرده سازی عرض خط لیزر نیمه هادی ، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است ، استفاده کرد و در نهایت یک خروجی لیزر با عرض خط باریک 160 هرتز بدست آورد.

شکل 1 (الف) نمودار فشرده سازی پهنای باند لیزر نیمه هادی بر اساس پراکندگی خود تزریق ریلی از طنین انداز حالت گالری زمزمه خارجی.
(ب) طیف فرکانس لیزر نیمه هادی در حال اجرا رایگان با عرض خط 8 مگاهرتز.
(ج) طیف فرکانس لیزر با پهنای خط فشرده شده به 160 هرتز
2.1.2 لیزر فیبر خط باریک باریک

برای لیزرهای فیبر حفره خطی ، خروجی لیزر خط باریک خط از حالت تک طولی با کوتاه کردن طول تشدید کننده و افزایش فاصله حالت طولی بدست می آید. در سال 2004 ، اشپیگلبرگ و همکاران. با استفاده از روش حفره کوتاه DBR ، یک خروجی لیزر خط باریک خط باریک با خطوط خط 2 کیلوهرتز بدست آورد. در سال 2007 ، شن و همکاران. از فیبر سیلیکون 2 سانتی متر به شدت Erbium-doped برای نوشتن FBG بر روی فیبر عکس دوپ شده دوپ شده استفاده شده و آن را با یک فیبر فعال برای تشکیل یک حفره خطی جمع و جور ذوب می کند و باعث می شود عرض خط خروجی لیزر آن کمتر از 1 کیلوهرتز باشد. در سال 2010 ، یانگ و همکاران. از یک حفره خطی کوتاه 2 سانتی متر بسیار دوپ شده همراه با یک فیلتر FBG باریک استفاده شده برای به دست آوردن یک لیزر حالت طولی واحد با عرض خط کمتر از 2 کیلوهرتز استفاده کرد. در سال 2014 ، این تیم از یک حفره خطی کوتاه (رزونانس حلقه تاشو مجازی) همراه با یک فیلتر FBG-FP استفاده کرد تا یک لیزر با عرض خط باریک به دست آورد ، همانطور که در شکل 3 در سال 2012 نشان داده شده است ، Cai et al. از ساختار حفره کوتاه 1.4 سانتی متر برای به دست آوردن یک لیزر قطبی با قدرت خروجی بیشتر از 114 مگاوات ، طول موج مرکزی 1540.3 نانومتر و عرض خط 4.1 کیلوهرتز استفاده کرد. در سال 2013 ، منگ و همکاران. پراکندگی بریلوین از فیبر دوپ شده Erbium با یک حفره حلقه کوتاه از یک دستگاه حفظ کامل با تعصب برای به دست آوردن یک حالت لیزر نویز تک فاز ، با قدرت خروجی 10 مگاوات استفاده می شود. در سال 2015 ، این تیم از حفره حلقه ای متشکل از فیبر 45 سانتی متر Erbium-Doped به عنوان پراکندگی بریلوین متوسط ​​افزایش متوسط ​​برای به دست آوردن آستانه کم و خروجی لیزر خط باریک استفاده کرد.

شکل 2 (الف) نقاشی شماتیک لیزر فیبر SLC.
(ب) لانه سیگنال هترودین با تاخیر فیبر 97.6 کیلومتر اندازه گیری شد