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只有掌握了这个,你才能在激光市场脱颖而出——科普:基于光纤激光器的有源光纤传感器

发布:2022-05-27 09:48作者:www.chylaser.com点击:1051次

光纤激光器具有热控制简单、转换效率高、功率稳定、增益带宽宽、模式选择容易、泵浦功率低等优点,得到了广泛的应用。用于传感器应用的光纤传感器具有灵敏度高、实时远程监测、抑制电磁干扰、耐腐蚀等优点,广泛应用于生物化学、工程监测和航空航天等诸多领域。本文简要介绍了可激发光纤激光器的开发技术,并说明了传感器在应力、折射率、温度、压力、声学和磁学等领域的应用。
光纤激光器由 Snitzer 和 Koester 于 1964 年首次提出和发明。在 1970 年代,在室温下使用低损耗光纤和激光二极管开发了光纤激光器。 1985 年,S. Pool 等人采用先进的化学气相沉积工艺推出了第一条低损耗掺钕光纤。从那时起,人们对具有不同结构和不同合金元素的光纤激光器进行了深入研究。 †
与传统的半导体激光器相比,光纤激光器具有许多优点。首先,纤维增强材料的几何形状具有较大的表面积,腔内产生的热量很容易蒸发到空气或环境中。您不需要设计额外的散热器,一个简单的冷却器就足够了。适用于较低的温度,有效的散热和更好的大功率辐射质量。其次,光纤激光器具有长的有源腔和细的导纤,因此电光转换效率远高于常规半导体激光器,无需高泵浦功率即可获得高效激光器。此外,光纤波导结构对激光束的限幅作用也保证了输出光束的质量,不受传统固态激光器常见的热致空间畸变现象的影响。同时,整个光纤结构不需要使用自由空间光学元件,缓解了传统激光器对校准和机械稳定性的严格要求,简化了激光器的设计和操作,促进了减量化。激光并提高激光性能。这些优势使光纤激光器在许多领域具有重大的科研价值和商业价值。
随着光纤制造技术、光纤块和强大泵浦源的不断发展,光纤激光器在输出功率、光束质量、光输出范围、幅度压缩等方面取得了显着的提高。光谱、脉冲持续时间等。 光纤激光器在光纤传感器领域的应用。利用光纤激光器的优异特性,输出光的解调允许进行实时测量的物理控制。 1993 年,Serge M. Melle 等人。用于微调布拉格光栅的光纤激光应变仪系统[7]。光纤激光器由掺铒光纤、宽带反射镜和碳纤维组成,输出波长取决于例如此外,光纤激光器与布拉格光栅的结合还可以同时测量多个位置的物理量变化,实现覆盖范围更广、可行性更高的大规模分布式识别。前面提到的光纤激光传感器在过去的几十年里已经相对成熟,并在许多科学研究和实际制造中得到了广泛的应用。
电压传感器
张力在生活中非常普遍,其监测应用非常广泛,例如:例如确定大型机器的结构稳定性和监测桥梁和隧道的状况等,需要精确的张力测量。光纤激光电压传感器具有高灵敏度、EMI防护、耐腐蚀和实施灵活等特点,广泛应用于电压监测工程实践。
该传感器可在高达数百赫兹的准静态下工作,由用于电荷测量的 π 修正光纤布拉格光栅和用于比较的光纤法布里-珀罗干涉仪组成。该系统采用 Pound-Drever-Hall 技术产生误差信号,激光载波和边带通过两个独立的反馈回路分别耦合到参考元件和传感器元件。负载分辨率在0.01~250Hz带宽内具有1/f特性,负载分辨率在10Hz时优于0.01nε,动态范围可达149dB。与传统的静载传感器相比,该传感器具有更高的分辨率和记录带宽,是地球物理测量的有力工具。
折射率传感器
在生物学、化学等学科的研究中,以及在材料制造、医学检测等实际应用中,总是需要测定折射率。光纤在折射率测量中具有明显的优势:其重量轻、体积小、灵敏度高、带宽宽和抗电磁干扰等特性引起了众多研究人员的关注。近年来在光纤激光器中的折射率传感器领域也取得了显著成果。
传感器的基本结构是一个带有两个布拉格光纤光栅 (FBG) 的线性谐振器,其中心波长之间的距离小于 1 nm。由于两个 FBG 具有相同的 EDF 增益介质,因此在谐振器内会发生增益竞争。如果是敏感元素,那就是TIME。 15 mm 长的微纤维,浸入被测溶液的地方,会损失一定波长的光的光功率。两个FBG在1300到1.335的折射率范围内灵敏度分别为-231.1 dB/RIU和42.6 dB/RIU,两个FBG波长的相对功率偏移具有更高的灵敏度-273.7 dB/RIU,更少的光更好地抵抗抖动和外部噪声。这种双波长具有竞争力的增益折射率传感器由于其高灵敏度和简单的设计,在化学和生化研究应用中具有广泛的潜力。
温度测量
在温度测量方面,基于法布里-珀罗混合谐振器和任意镜面组合的光纤激光温度传感器,法布里-珀罗混合谐振器由单模光纤和悬垂纤芯的小延伸部分组成。由于随机镜面是由沿光纤传播的多个瑞利散射产生的,并带有色散补偿,因此它是光纤拉曼增益的直接结果。在该模型中,法布里-珀罗谐振器同时执行激光镜和温度敏感谐振器的功能。光纤激光温度传感器在15nm波长范围内最大输出功率约为4mW,在200℃测量范围内温度灵敏度可达6µm/℃左右。
压力计
在极端环境下,如油井或地热井温度为 130°C 或更高,传统的电传感器可能无法满足长期压力监测的需要,而光学激光传感器可以测量流体或流体的压力。气体。下图显示了一个法布里-珀罗偏振光纤激光静水压力传感器,该传感器使用双折射光栅和两段椭圆纤芯掺铒光纤。基于正交偏振和扫描频率的原理,液体与激光腔中的椭圆形中心光纤共同作用,引起两个正交偏振态的差分相移,从而导致激光扫描频率发生变化。相应的纤维。纵向激光模式。第二根光纤纤芯的椭圆方向偏移了90°,补偿了温度引起的相移。双折射光纤中的色散布拉格光栅反射器用于消除特定偏振空间类别的近退化旋转速度,传感器可以测量高达 100 MPa 的流体压力。
 声音传感器
一种用于检测声波的高频光纤激光传感器,超声波可使光纤激光腔变形,引起本振输出频率发生变化。传感器的频率响应为 22 MHz,宽带声学检测的灵敏度为 2.25 MHz / kPa。在100 MHz的采样率下,相应的声压达到45 Pa。球面波的探测带宽达到18 MHz。沿光纤长度的灵敏度根据激光器的状态而变化,并由两个参数决定:光栅和谐振器。在径向上,灵敏度与声源和传感器之间距离的平方根成反比。声学灵敏度可以通过减小腔体的长度来提高,而较短的腔体可以显着提高光生成显微镜(PAM)的对比度和传感器的穿透深度。
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