Notícias

Jan 24, 2024

Sensor óptico usando espaço

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 13369 (2022) Citar este artigo Uma nova técnica de ringdown de cavidade de fibra ativa (FCRD) usando interferometria com mudança de frequência (FSI) é proposta para o

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 13369 (2022) Citar este artigo

Uma nova técnica de ringdown de cavidade de fibra ativa (FCRD) usando interferometria com mudança de frequência (FSI) é proposta pela primeira vez. Usando este esquema, parâmetros externos podem ser monitorados no domínio espacial medindo a distância de toque em vez do tempo de toque. Um amplificador de fibra dopada com érbio bidirecional (Bi-EDFA) é empregado para compensar a perda de cavidade inerente para obter maior sensibilidade. E dois filtros passa-faixa são usados ​​para reduzir o ruído de emissão espontânea amplificada (ASE) do Bi-EDFA. Comparado com o conhecido esquema FCRD ativo no domínio do tempo, nosso método proposto nos permite evitar o uso do laser pulsado necessário no FCRD ativo no domínio do tempo, ele usa laser de onda contínua para injetar na cavidade da fibra e estabilizar a potência óptica no cavidade de fibra, que pode suprimir o desvio da linha de base do sinal de toque causado pelas flutuações de ganho do EDFA e, assim, melhorar a precisão da detecção. Além disso, este novo método nos permite usar o método de detecção diferencial para reduzir ainda mais o ruído ASE e, assim, eliminar o desvio da linha de base do sinal de ringdown. Um sensor de campo magnético foi desenvolvido como uma demonstração de prova de conceito. Os resultados experimentais demonstram que o sensor proposto com sensibilidade de 0,01537 (1/km·Gs) foi alcançado. Esta é a maior sensibilidade ao campo magnético em comparação com o método FLRD ativo no domínio do tempo. Devido ao ruído ASE reduzido, a estabilidade do sistema de detecção proposto também foi bastante melhorada.

A técnica de detecção de ringdown de cavidade de fibra (FCRD) é um método altamente sensível para medir perdas ópticas . Semelhante ao esquema CRD convencional, a perda de cavidade pode ser determinada a partir da taxa de decaimento geralmente chamada de tempo de toque do laser pulsado. Mas, diferentemente do método CRD convencional, no qual a luz salta para frente e para trás entre dois espelhos, o FCRD geralmente usa um par de acopladores direcionais de fibra com alta taxa de divisão para formar a cavidade da fibra para alcançar a abordagem multipassagem. Em comparação com a cavidade baseada em espelho, uma cavidade de fibra tem as vantagens de ser livre de alinhamento, robusta, de baixo custo e adequada para redes de sensores multifuncionais em grande escala, o que fez com que o FCRD se tornasse uma escolha popular para muitas aplicações, como gás4 , líquido5,6, índice de refração7, tensão8, temperatura9, detecção de campo magnético10 e assim por diante. No entanto, a cavidade da fibra tem a desvantagem da grande perda de cavidade inerente devido à grande perda de inserção dos acopladores de fibra e cabeças do sensor, o que leva a uma baixa sensibilidade.

Para melhorar a sensibilidade, uma maneira simples de atingir esse objetivo é reduzir as perdas de inserção das cabeças dos sensores, mas a melhoria ainda é limitada. Outra abordagem é compensar a perda inerente da cavidade através da introdução de um amplificador de fibra dopada com érbio (EDFA) na cavidade da fibra. Como o EDFA é servido como fonte de ganho, este novo FCRD é geralmente denominado FCRD ativo no domínio do tempo ou FCRD amplificado11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21. Em 2001, a técnica FCRD ativa foi proposta pela primeira vez por George Stewart e a sensibilidade foi melhorada porque a perda inerente da cavidade pode ser suficientemente compensada pelo EDFA11. No entanto, o método de detecção ativo do FCRD também traz dois novos problemas. Uma é a flutuação de ganho do EDFA, que resulta no decaimento não exponencial do sinal de ringdown e, assim, degrada a precisão da medição e a estabilidade a longo prazo . Outro é o ruído de emissão espontânea amplificada (ASE) produzido pelo EDFA, que causa o desvio da linha de base do sinal de ringdown e reduz a estabilidade do sistema de detecção . Para minimizar o impacto da flutuação de ganho, um EDFA com ganho fixado foi usado na cavidade da fibra para reduzir o efeito de flutuação de ganho , mas a flutuação de ganho ainda existe porque o laser pulsado foi usado no FCRD ativo no domínio do tempo para excitar a cavidade da fibra e, portanto, não pode fornecer a estabilização de energia na cavidade da fibra, de modo que a estabilidade era geralmente de apenas cerca de 10%, o que não era adequado para a aplicação prática . Felizmente, um laser caótico foi proposto para estabilizar a potência do laser na cavidade da fibra e a influência da flutuação de ganho foi efetivamente suprimida, portanto, uma boa estabilidade de 2,84% foi alcançada recentemente19. Para melhorar a estabilidade, foi sugerido um filtro adaptativo para suprimir o ruído ASE12,13, porém é impossível eliminá-lo completamente e assim a estabilidade ainda não foi suficiente.