Новости

Jan 24, 2024

Оптический датчик, использующий пространство

Scientific Reports, том 12, номер статьи: 13369 (2022) Цитировать эту статью Новый метод обнаружения резонатора активного волокна (FCRD) с использованием частотно-сдвинутой интерферометрии (FSI) предложен для

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 13369 (2022) Цитировать эту статью

Впервые предложен новый метод прослушивания полости активного волокна (FCRD) с использованием частотно-сдвинутой интерферометрии (FSI). Используя эту схему, внешние параметры можно отслеживать в космической области, измеряя расстояние до звонка вместо времени дозвона. Двунаправленный волоконный усилитель, легированный эрбием (Bi-EDFA), используется для компенсации внутренних потерь в резонаторе и достижения более высокой чувствительности. А два полосовых фильтра используются для уменьшения шума усиленного спонтанного излучения (ASE) Bi-EDFA. По сравнению с известной схемой активного FCRD во временной области, предлагаемый нами метод позволяет избежать использования импульсного лазера, необходимого для активного FCRD во временной области. Он использует лазер непрерывного действия для ввода в полость волокна и стабилизации оптической мощности в полость волокна, которая может подавить дрейф базовой линии сигнала понижения напряжения, вызванный флуктуациями усиления EDFA, и тем самым повысить точность обнаружения. Более того, этот новый метод позволяет нам использовать метод дифференциального обнаружения для дальнейшего снижения шума ASE и, таким образом, устранения дрейфа базовой линии сигнала понижения уровня сигнала. Датчик магнитного поля был разработан как демонстрация концепции. Результаты экспериментов показывают, что предложенный датчик имеет чувствительность 0,01537 (1/км·Гс). Это самая высокая чувствительность к магнитному полю по сравнению с активным методом FLRD во временной области. Благодаря уменьшению шума ASE стабильность предлагаемой сенсорной системы также была значительно улучшена.

Метод измерения оптических потерь в полости волокна (FCRD) является высокочувствительным методом измерения оптических потерь1,2,3. Подобно традиционной схеме CRD, потери в резонаторе можно определить по скорости затухания, обычно называемой временем срабатывания импульсного лазера. Но в отличие от традиционного метода CRD, в котором свет отражается вперед и назад между двумя зеркалами, в FCRD обычно используется пара волоконно-направленных ответвителей с высоким коэффициентом расщепления для формирования полости волокна для достижения многопроходного подхода. По сравнению с резонатором на основе зеркала оптический резонатор обладает преимуществами, заключающимися в отсутствии выравнивания, надежности, низкой стоимости и пригодности для крупномасштабной многофункциональной сенсорной сети, что сделало FCRD популярным выбором для многих приложений, таких как газ4. , жидкость5,6, показатель преломления7, деформация8, температура9, измерение магнитного поля10 и так далее. Однако полость волокна имеет недостаток, заключающийся в больших внутренних потерях в полости из-за больших вносимых потерь волоконных соединителей и головок датчиков, что приводит к плохой чувствительности.

Чтобы улучшить чувствительность, одним из простых способов достижения этой цели является уменьшение вносимых потерь сенсорных головок, но улучшение все еще ограничено. Другой подход заключается в компенсации внутренних потерь в полости путем введения в полость волокна усилителя из волокна, легированного эрбием (EDFA). Поскольку EDFA служит источником усиления, этот новый FCRD обычно называют активным FCRD во временной области или усиленным FCRD11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21. В 2001 году активный метод FCRD был впервые предложен Джорджем Стюартом, и его чувствительность была улучшена, поскольку потери, присущие резонатору, могут быть в достаточной степени компенсированы с помощью EDFA11. Однако активный метод измерения FCRD также создает две новые проблемы. Одним из них является колебание усиления EDFA, которое приводит к неэкспоненциальному затуханию сигнала понижения частоты и, таким образом, ухудшает точность измерения и долговременную стабильность20,21. Другим примером является шум усиленного спонтанного излучения (ASE), создаваемый EDFA, который вызывает дрейф базовой линии сигнала понижения уровня сигнала и снижает стабильность сенсорной системы12,13,17. Чтобы минимизировать влияние колебаний усиления, в полости волокна использовался EDFA с ограничением усиления, чтобы уменьшить эффект флуктуаций усиления14,16, но колебания усиления все еще существуют, поскольку импульсный лазер использовался в активном FCRD во временной области для возбуждения полости волокна. и, следовательно, он не может обеспечить стабилизацию мощности в полости волокна, поэтому стабильность обычно составляла всего около 10%, что не подходило для практического применения18. К счастью, был предложен хаотический лазер для стабилизации мощности лазера в полости волокна и влияние флуктуаций усиления было эффективно подавлено, поэтому недавно была достигнута хорошая стабильность 2,84%19. Для повышения стабильности был предложен адаптивный фильтр для подавления шума ASE12,13, однако полностью устранить его невозможно, и поэтому стабильность все еще недостаточна.