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只有掌握了這個,你才能在激光市場脫穎而出——科普:基于光纖激光器的有源光纖傳感器

發布:2022-05-27 09:48作者:www.yattendonparish.com點擊:1018次

光纖激光器具有熱控制簡單、轉換效率高、功率穩定、增益帶寬寬、模式選擇容易、泵浦功率低等優點,得到了廣泛的應用。用于傳感器應用的光纖傳感器具有靈敏度高、實時遠程監測、抑制電磁干擾、耐腐蝕等優點,廣泛應用于生物化學、工程監測和航空航天等諸多領域。本文簡要介紹了可激發光纖激光器的開發技術,并說明了傳感器在應力、折射率、溫度、壓力、聲學和磁學等領域的應用。
光纖激光器由 Snitzer 和 Koester 于 1964 年首次提出和發明。在 1970 年代,在室溫下使用低損耗光纖和激光二極管開發了光纖激光器。 1985 年,S. Pool 等人采用先進的化學氣相沉積工藝推出了第一條低損耗摻釹光纖。從那時起,人們對具有不同結構和不同合金元素的光纖激光器進行了深入研究。 ?
與傳統的半導體激光器相比,光纖激光器具有許多優點。首先,纖維增強材料的幾何形狀具有較大的表面積,腔內產生的熱量很容易蒸發到空氣或環境中。您不需要設計額外的散熱器,一個簡單的冷卻器就足夠了。適用于較低的溫度,有效的散熱和更好的大功率輻射質量。其次,光纖激光器具有長的有源腔和細的導纖,因此電光轉換效率遠高于常規半導體激光器,無需高泵浦功率即可獲得高效激光器。此外,光纖波導結構對激光束的限幅作用也保證了輸出光束的質量,不受傳統固態激光器常見的熱致空間畸變現象的影響。同時,整個光纖結構不需要使用自由空間光學元件,緩解了傳統激光器對校準和機械穩定性的嚴格要求,簡化了激光器的設計和操作,促進了減量化。激光并提高激光性能。這些優勢使光纖激光器在許多領域具有重大的科研價值和商業價值。
隨著光纖制造技術、光纖塊和強大泵浦源的不斷發展,光纖激光器在輸出功率、光束質量、光輸出范圍、幅度壓縮等方面取得了顯著的提高。光譜、脈沖持續時間等。 光纖激光器在光纖傳感器領域的應用。利用光纖激光器的優異特性,輸出光的解調允許進行實時測量的物理控制。 1993 年,Serge M. Melle 等人。用于微調布拉格光柵的光纖激光應變儀系統[7]。光纖激光器由摻鉺光纖、寬帶反射鏡和碳纖維組成,輸出波長取決于例如此外,光纖激光器與布拉格光柵的結合還可以同時測量多個位置的物理量變化,實現覆蓋范圍更廣、可行性更高的大規模分布式識別。前面提到的光纖激光傳感器在過去的幾十年里已經相對成熟,并在許多科學研究和實際制造中得到了廣泛的應用。
電壓傳感器
張力在生活中非常普遍,其監測應用非常廣泛,例如:例如確定大型機器的結構穩定性和監測橋梁和隧道的狀況等,需要精確的張力測量。光纖激光電壓傳感器具有高靈敏度、EMI防護、耐腐蝕和實施靈活等特點,廣泛應用于電壓監測工程實踐。
該傳感器可在高達數百赫茲的準靜態下工作,由用于電荷測量的 π 修正光纖布拉格光柵和用于比較的光纖法布里-珀羅干涉儀組成。該系統采用 Pound-Drever-Hall 技術產生誤差信號,激光載波和邊帶通過兩個獨立的反饋回路分別耦合到參考元件和傳感器元件。負載分辨率在0.01~250Hz帶寬內具有1/f特性,負載分辨率在10Hz時優于0.01nε,動態范圍可達149dB。與傳統的靜載傳感器相比,該傳感器具有更高的分辨率和記錄帶寬,是地球物理測量的有力工具。
折射率傳感器
在生物學、化學等學科的研究中,以及在材料制造、醫學檢測等實際應用中,總是需要測定折射率。光纖在折射率測量中具有明顯的優勢:其重量輕、體積小、靈敏度高、帶寬寬和抗電磁干擾等特性引起了眾多研究人員的關注。近年來在光纖激光器中的折射率傳感器領域也取得了顯著成果。
傳感器的基本結構是一個帶有兩個布拉格光纖光柵 (FBG) 的線性諧振器,其中心波長之間的距離小于 1 nm。由于兩個 FBG 具有相同的 EDF 增益介質,因此在諧振器內會發生增益競爭。如果是敏感元素,那就是TIME。 15 mm 長的微纖維,浸入被測溶液的地方,會損失一定波長的光的光功率。兩個FBG在1300到1.335的折射率范圍內靈敏度分別為-231.1 dB/RIU和42.6 dB/RIU,兩個FBG波長的相對功率偏移具有更高的靈敏度-273.7 dB/RIU,更少的光更好地抵抗抖動和外部噪聲。這種雙波長具有競爭力的增益折射率傳感器由于其高靈敏度和簡單的設計,在化學和生化研究應用中具有廣泛的潛力。
溫度測量
在溫度測量方面,基于法布里-珀羅混合諧振器和任意鏡面組合的光纖激光溫度傳感器,法布里-珀羅混合諧振器由單模光纖和懸垂纖芯的小延伸部分組成。由于隨機鏡面是由沿光纖傳播的多個瑞利散射產生的,并帶有色散補償,因此它是光纖拉曼增益的直接結果。在該模型中,法布里-珀羅諧振器同時執行激光鏡和溫度敏感諧振器的功能。光纖激光溫度傳感器在15nm波長范圍內最大輸出功率約為4mW,在200℃測量范圍內溫度靈敏度可達6μm/℃左右。
壓力計
在極端環境下,如油井或地熱井溫度為 130°C 或更高,傳統的電傳感器可能無法滿足長期壓力監測的需要,而光學激光傳感器可以測量流體或流體的壓力。氣體。下圖顯示了一個法布里-珀羅偏振光纖激光靜水壓力傳感器,該傳感器使用雙折射光柵和兩段橢圓纖芯摻鉺光纖?;谡黄窈蛼呙桀l率的原理,液體與激光腔中的橢圓形中心光纖共同作用,引起兩個正交偏振態的差分相移,從而導致激光掃描頻率發生變化。相應的纖維??v向激光模式。第二根光纖纖芯的橢圓方向偏移了90°,補償了溫度引起的相移。雙折射光纖中的色散布拉格光柵反射器用于消除特定偏振空間類別的近退化旋轉速度,傳感器可以測量高達 100 MPa 的流體壓力。
?聲音傳感器
一種用于檢測聲波的高頻光纖激光傳感器,超聲波可使光纖激光腔變形,引起本振輸出頻率發生變化。傳感器的頻率響應為 22 MHz,寬帶聲學檢測的靈敏度為 2.25 MHz / kPa。在100 MHz的采樣率下,相應的聲壓達到45 Pa。球面波的探測帶寬達到18 MHz。沿光纖長度的靈敏度根據激光器的狀態而變化,并由兩個參數決定:光柵和諧振器。在徑向上,靈敏度與聲源和傳感器之間距離的平方根成反比。聲學靈敏度可以通過減小腔體的長度來提高,而較短的腔體可以顯著提高光生成顯微鏡(PAM)的對比度和傳感器的穿透深度。
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