Technologie de source laser pourfibre optiquedétecter la première partie
La technologie de détection par fibre optique est une sorte de technologie de détection développée avec la technologie de fibre optique et la technologie de communication par fibre optique, et elle est devenue l'une des branches les plus actives de la technologie photoélectrique.Le système de détection à fibre optique est principalement composé d'un laser, d'une fibre de transmission, d'un élément de détection ou d'une zone de modulation, d'une détection de lumière et d'autres pièces.Les paramètres décrivant les caractéristiques de l'onde lumineuse comprennent l'intensité, la longueur d'onde, la phase, l'état de polarisation, etc. Ces paramètres peuvent être modifiés par des influences externes lors de la transmission par fibre optique.Par exemple, lorsque la température, la déformation, la pression, le courant, le déplacement, la vibration, la rotation, la flexion et la quantité chimique affectent le chemin optique, ces paramètres changent en conséquence.La détection par fibre optique est basée sur la relation entre ces paramètres et des facteurs externes pour détecter les grandeurs physiques correspondantes.
Il existe de nombreux types desource laserutilisé dans les systèmes de détection à fibre optique, qui peuvent être divisés en deux catégories : cohérentsource laseret des sources lumineuses incohérentes, incohérentessources lumineusescomprennent principalement la lumière incandescente et les diodes électroluminescentes, et les sources de lumière cohérentes comprennent les lasers solides, les lasers liquides, les lasers à gaz,laser à semi-conducteuretlaser à fibre.Ce qui suit est principalement destiné ausource de lumière laserLargement utilisé dans le domaine de la détection de fibres ces dernières années : laser monofréquence à largeur de ligne étroite, laser à fréquence de balayage à longueur d'onde unique et laser blanc.
1.1 Exigences relatives à une largeur de ligne étroitesources de lumière laser
Le système de détection de fibre optique ne peut pas être séparé de la source laser, car l'onde lumineuse porteuse de signal mesurée, les performances de la source de lumière laser elle-même, telles que la stabilité de la puissance, la largeur de raie laser, le bruit de phase et d'autres paramètres sur la distance de détection du système de détection de fibre optique, la détection la précision, la sensibilité et les caractéristiques de bruit jouent un rôle décisif.Ces dernières années, avec le développement de systèmes de détection à fibre optique à ultra haute résolution longue distance, le monde universitaire et l'industrie ont mis en avant des exigences plus strictes en matière de performances en largeur de raie de la miniaturisation laser, principalement dans les domaines suivants : La technologie de réflexion dans le domaine des fréquences optiques (OFDR) utilise des technologie de détection pour analyser les signaux diffusés par backrayleigh des fibres optiques dans le domaine fréquentiel, avec une large couverture (en milliers de mètres).Les avantages de la haute résolution (résolution au niveau millimétrique) et de la haute sensibilité (jusqu'à -100 dBm) sont devenus l'une des technologies offrant de larges perspectives d'application dans la technologie de mesure et de détection distribuée par fibre optique.Le cœur de la technologie OFDR consiste à utiliser une source de lumière accordable pour obtenir un réglage de la fréquence optique, de sorte que les performances de la source laser déterminent les facteurs clés tels que la plage de détection, la sensibilité et la résolution de l'OFDR.Lorsque la distance du point de réflexion est proche de la longueur de cohérence, l'intensité du signal de battement sera atténuée de façon exponentielle par le coefficient τ/τc.Pour une source lumineuse gaussienne avec une forme spectrale, afin de garantir que la fréquence de battement a une visibilité supérieure à 90 %, la relation entre la largeur de ligne de la source lumineuse et la longueur de détection maximale que le système peut atteindre est Lmax~0,04vg. /f, ce qui signifie que pour une fibre d'une longueur de 80 km, la largeur de raie de la source lumineuse est inférieure à 100 Hz.En outre, le développement d’autres applications impose également des exigences plus élevées en matière de largeur de ligne de la source lumineuse.Par exemple, dans le système d'hydrophone à fibre optique, la largeur de raie de la source lumineuse détermine le bruit du système et détermine également le signal mesurable minimum du système.Dans le réflecteur optique temporel Brillouin (BOTDR), la résolution de mesure de la température et de la contrainte est principalement déterminée par la largeur de raie de la source lumineuse.Dans un gyroscope à fibre optique à résonateur, la longueur de cohérence de l'onde lumineuse peut être augmentée en réduisant la largeur de ligne de la source lumineuse, améliorant ainsi la finesse et la profondeur de résonance du résonateur, réduisant la largeur de ligne du résonateur et assurant la mesure précision du gyroscope à fibre optique.
1.2 Exigences relatives aux sources laser à balayage
Le laser de balayage à longueur d'onde unique a des performances de réglage de longueur d'onde flexibles, peut remplacer les lasers à longueur d'onde fixe à sortie multiple, réduire le coût de construction du système, est un élément indispensable du système de détection à fibre optique.Par exemple, dans la détection de fibres de gaz traces, différents types de gaz présentent des pics d’absorption différents.Afin de garantir l'efficacité de l'absorption de la lumière lorsque le gaz de mesure est suffisant et d'obtenir une sensibilité de mesure plus élevée, il est nécessaire d'aligner la longueur d'onde de la source de lumière de transmission avec le pic d'absorption de la molécule de gaz.Le type de gaz pouvant être détecté est essentiellement déterminé par la longueur d’onde de la source lumineuse de détection.Par conséquent, les lasers à largeur de raie étroite avec des performances de réglage à large bande stables offrent une plus grande flexibilité de mesure dans de tels systèmes de détection.Par exemple, dans certains systèmes de détection à fibre optique distribués basés sur la réflexion dans le domaine des fréquences optiques, le laser doit être rapidement balayé périodiquement pour obtenir une détection cohérente et une démodulation de haute précision des signaux optiques, de sorte que le taux de modulation de la source laser a des exigences relativement élevées. , et la vitesse de balayage du laser réglable doit généralement atteindre 10 pm/μs.En outre, le laser à largeur de raie étroite réglable en longueur d'onde peut également être largement utilisé dans le LiDAR, la télédétection laser et l'analyse spectrale à haute résolution et dans d'autres domaines de détection.Afin de répondre aux exigences des paramètres de haute performance en matière de bande passante de réglage, de précision de réglage et de vitesse de réglage des lasers à longueur d'onde unique dans le domaine de la détection par fibre, l'objectif global de l'étude des lasers à fibre accordables à largeur étroite ces dernières années est d'obtenir des performances élevées. réglage de précision dans une plage de longueurs d'onde plus large sur la base de la recherche d'une largeur de ligne laser ultra-étroite, d'un bruit de phase ultra-faible et d'une fréquence et d'une puissance de sortie ultra-stables.
1.3 Demande de source de lumière laser blanche
Dans le domaine de la détection optique, un laser à lumière blanche de haute qualité revêt une grande importance pour améliorer les performances du système.Plus la couverture spectrale du laser à lumière blanche est large, plus son application dans les systèmes de détection à fibre optique est étendue.Par exemple, lors de l'utilisation d'un réseau de Bragg à fibre (FBG) pour construire un réseau de capteurs, une analyse spectrale ou une méthode d'adaptation de filtre accordable pourrait être utilisée pour la démodulation.Le premier a utilisé un spectromètre pour tester directement chaque longueur d’onde de résonance FBG dans le réseau.Ce dernier utilise un filtre de référence pour suivre et calibrer le FBG lors de la détection, les deux nécessitant une source de lumière à large bande comme source de lumière de test pour le FBG.Étant donné que chaque réseau d'accès FBG aura une certaine perte d'insertion et aura une bande passante supérieure à 0,1 nm, la démodulation simultanée de plusieurs FBG nécessite une source de lumière à large bande avec une puissance et une bande passante élevées.Par exemple, lors de l'utilisation d'un réseau de fibres à longue période (LPFG) pour la détection, puisque la bande passante d'un seul pic de perte est de l'ordre de 10 nm, une source de lumière à large spectre avec une bande passante suffisante et un spectre relativement plat est nécessaire pour caractériser avec précision sa résonance. caractéristiques de pointe.En particulier, un réseau de fibres acoustiques (AIFG) construit en utilisant un effet acousto-optique peut atteindre une plage de réglage de longueur d'onde de résonance allant jusqu'à 1 000 nm au moyen d'un réglage électrique.Par conséquent, les tests de réseau dynamique avec une plage de réglage aussi ultra-large posent un défi majeur pour la plage de bande passante d'une source lumineuse à large spectre.De même, ces dernières années, les réseaux de fibres de Bragg inclinés ont également été largement utilisés dans le domaine de la détection des fibres.En raison de ses caractéristiques spectrales de perte multi-pics, la plage de distribution de longueurs d'onde peut généralement atteindre 40 nm.Son mécanisme de détection consiste généralement à comparer le mouvement relatif entre plusieurs pics de transmission, il est donc nécessaire de mesurer complètement son spectre de transmission.La bande passante et la puissance de la source lumineuse à large spectre doivent être plus élevées.
2. Statut de recherche en Suisse et à l'étranger
2.1 Source de lumière laser à largeur de raie étroite
2.1.1 Laser à rétroaction distribuée à semi-conducteur à largeur de raie étroite
En 2006, Cliche et coll.réduit l'échelle MHz du semi-conducteurLaser DFB(laser à rétroaction distribuée) à l'échelle kHz en utilisant la méthode de rétroaction électrique ;En 2011, Kessler et al.utilisé une cavité monocristalline à basse température et haute stabilité combinée à un contrôle de rétroaction actif pour obtenir une sortie laser à largeur de ligne ultra-étroite de 40 MHz ;En 2013, Peng et al ont obtenu une sortie laser à semi-conducteur avec une largeur de raie de 15 kHz en utilisant la méthode d'ajustement de rétroaction Fabry-Perot (FP) externe.La méthode de rétroaction électrique utilisait principalement la rétroaction de stabilisation de fréquence Pond-Drever-Hall pour réduire la largeur de ligne laser de la source lumineuse.En 2010, Bernhardi et al.produit 1 cm d'alumine FBG dopée à l'erbium sur un substrat d'oxyde de silicium pour obtenir une sortie laser avec une largeur de ligne d'environ 1,7 kHz.La même année, Liang et al.utilisé le retour d'auto-injection de la diffusion Rayleigh vers l'arrière formée par un résonateur de paroi d'écho à Q élevé pour la compression de largeur de ligne laser à semi-conducteur, comme le montre la figure 1, et a finalement obtenu une sortie laser de largeur de ligne étroite de 160 Hz.
Fig. 1 (a) Schéma de compression de largeur de raie laser à semi-conducteur basé sur la diffusion Rayleigh par auto-injection d'un résonateur externe en mode galerie chuchotante ;
(b) Spectre de fréquences du laser à semi-conducteur à fonctionnement libre avec une largeur de raie de 8 MHz ;
(c) Spectre de fréquence du laser avec largeur de raie compressée à 160 Hz
2.1.2 Laser à fibre à largeur de raie étroite
Pour les lasers à fibre à cavité linéaire, la sortie laser à largeur de raie étroite du mode longitudinal unique est obtenue en raccourcissant la longueur du résonateur et en augmentant l'intervalle de mode longitudinal.En 2004, Spiegelberg et al.obtenu une sortie laser à largeur de raie étroite à mode longitudinal unique avec une largeur de raie de 2 kHz en utilisant la méthode à cavité courte DBR.En 2007, Shen et al.a utilisé une fibre de silicium fortement dopée à l'erbium de 2 cm pour écrire FBG sur une fibre photosensible co-dopée Bi-Ge et l'a fusionnée avec une fibre active pour former une cavité linéaire compacte, rendant sa largeur de ligne de sortie laser inférieure à 1 kHz.En 2010, Yang et al.utilisé une cavité linéaire courte hautement dopée de 2 cm combinée à un filtre FBG à bande étroite pour obtenir une sortie laser à mode longitudinal unique avec une largeur de ligne inférieure à 2 kHz.En 2014, l'équipe a utilisé une cavité linéaire courte (résonateur à anneau plié virtuel) combinée à un filtre FBG-FP pour obtenir une sortie laser avec une largeur de ligne plus étroite, comme le montre la figure 3. En 2012, Cai et al.a utilisé une structure à cavité courte de 1,4 cm pour obtenir une sortie laser polarisante avec une puissance de sortie supérieure à 114 mW, une longueur d'onde centrale de 1 540,3 nm et une largeur de ligne de 4,1 kHz.En 2013, Meng et al.utilisé la diffusion Brillouin d'une fibre dopée à l'erbium avec une cavité annulaire courte d'un dispositif de préservation de polarisation totale pour obtenir une sortie laser à mode longitudinal unique et à faible bruit de phase avec une puissance de sortie de 10 mW.En 2015, l'équipe a utilisé une cavité annulaire composée d'une fibre dopée à l'erbium de 45 cm comme moyen de gain de diffusion Brillouin pour obtenir un seuil faible et une sortie laser à largeur de raie étroite.
Figure 2 (a) Dessin schématique du laser à fibre SLC ;
(b) Forme de ligne du signal hétérodyne mesuré avec un retard de fibre de 97,6 km
Heure de publication : 20 novembre 2023