Лазерный мир

А. Ю. Ткаченко, И. А. Лобач, С. И. Каблуков // Квантовая электроника, 49:12 (2019), 1121–1126 [Quantum Electron., 49:12 (2019), 1121–1126]

Представлены первые результаты экспериментального исследования когерентного оптического частотного рефлектометра (КОЧР) на основе простого одночастотного волоконного лазера с самосканированием частоты. Такой лазер генерирует микросекундные импульсы, а частота его излучения линейно изменяется с номером импульса без использования каких-либо активно перестраиваемых элементов.

Кроме того, генерация каждого импульса происходит только на одной продольной моде с шириной линии менее 1 МГц. Для такого лазера характерна высокая линейность перестройки частоты, что позволяет измерять рефлектограммы без дополнительной спектральной коррекции. В представленном КОЧР показана возможность достижения пространственной дискретизации ~200 мкм и чувствительности по коэффициенту отражения приблизительно до –80 дБ при длине тестовой линии ~9 м.

Оптическая рефлектометрия является ключевой технологией как для диагностики оптических систем, так и для распределенных сенсорных измерений. В последнем случае используется зависимость параметров излучения (например, интенсивности или оптической частоты), рассеянного вдоль оптического волокна, от внешних физических воздействий (например, от температуры или механических деформаций) [1].

Чаще всего в волоконных распределенных сенсорных системах используется техника временной рефлектометрии. Работа рефлектометра основана на зондировании волоконной линии короткими импульсами излучения. Зондирующее излучение, отраженное от дефектов или рассеянное на неоднородностях показателя преломления волокна (рассеяние Рэлея), детектируется и затем анализируется по принципу эха, в соответствии с которым местоположение отражателя/рассеивателя линейно связано с временем задержки между входным и отраженным сигналами.

Пространственное разрешение рефлектометра в этом случае определяется длительностью импульса и может достигать ~1 м Схема КОЧР приведена на рис.1. Ключевым элементом схемы является волоконный лазер с самосканированием частоты. В конструкции лазера использованы компоненты и волокна, сохраняющие поляризацию. Резонатор лазера образован широкополосным высокоотражающим волоконным кольцевым зеркалом на основе поляризующего ответвителя 50/50 и сколотым под прямым углом волокном с френелевским отражением.

В качестве усиливающей среды используется волокно Nufern PMYDF-5/130 длиной 3 м с двойной оболочкой, легированное ионами иттербия. Усиливающая среда накачивалась через объединитель накачки излучением многомодового лазерного диода с длиной волны вблизи 975 нм и мощностью до 9 Вт. Порт 80% ответвителя 20/80 совместно с изолятором служит для вывода лазерного излучения из резонатора и его дальнейшего использования.

В результате эффективный коэффициент отражения выходного зеркала в виде скола волокна составил ~0.2%. Далее 10% всей выходной мощности излучения отводилось через ответвитель 10/90 для формирования опорного канала. При мощности накачки 2 Вт лазер работает в режиме самосканирования длины волны в области 1060 –1080 нм со скоростью ~1 нм/с (см. рис.1). Динамика интенсивности лазера (аналогичная динамике в работе [16]) состоит из периодических микросекундных одночастотных импульсов (рис.2,а) со спектральной шириной не более ~1 МГц. Отметим, что это оценка, а не точное значение ширины линии, поскольку она связана с небольшим изменением оптической частоты за время генерации одного импульса (описывает так называемый частотный чирп) и сделана с помощью техники гетеродинирования. Ожидается, что реальная мгновенная ширина линии меньше, чем величина частотного чирпа. Излучение лазера с самосканированием частоты мощностью 25 мВт пропускается через интерферометр Маха–Цендера, одно из плеч которого содержит тестируемую волоконную линию (ТВЛ) (внутренний прямоугольник в правой части схемы на рис.1). Следует отметить, что поскольку вся схема реализована на волокнах и компонентах с сохранением поляризации, нам не требовалось дополнительно подстраивать поляризацию сигналов, что было необходимо в работе [12].

В работе представлены первые результаты экспериментального исследования когерентного оптического частотного рефлектометра на основе волоконного лазера с самосканированием частоты. Перестройка частоты генерации в этом лазере выполняется без активно перестраиваемых элементов. Важной особенностью схемы является отсутствие триггерного интерферометра из-за дискретности перестройки частоты в используемом лазерном источнике. Схема была опробована на волоконной линии, состоящей из волоконного ослабителя и отрезка волокна с френелевским отражением на свободном выходном торце.

Полное содержание статьи на https://www.mathnet.ru/php/archive.phtml