Sensore ottico che utilizza lo spazio

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 13369 (2022) Citare questo articolo

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Per la prima volta viene proposta una nuova tecnica di ringdown della cavità delle fibre attive (FCRD) che utilizza l'interferometria a spostamento di frequenza (FSI). Utilizzando questo schema, i parametri esterni possono essere monitorati nel dominio spaziale misurando la distanza di ringdown invece del tempo di ringdown. Un amplificatore bidirezionale in fibra drogata con erbio (Bi-EDFA) viene impiegato per compensare la perdita intrinseca della cavità per ottenere una sensibilità più elevata. Inoltre, vengono utilizzati due filtri passa-banda per ridurre il rumore dell'emissione spontanea amplificata (ASE) del Bi-EDFA. Rispetto al noto schema FCRD attivo nel dominio del tempo, il nostro metodo proposto ci consente di evitare l'uso del laser pulsato necessario nell'FCRD attivo nel dominio del tempo, utilizza laser a onda continua per iniettare nella cavità della fibra e stabilizzare la potenza ottica nel cavità della fibra, che può sopprimere la deriva della linea di base del segnale ringdown causata dalle fluttuazioni del guadagno dell'EDFA e quindi migliorare la precisione di rilevamento. Inoltre, questo nuovo metodo ci consente di utilizzare un metodo di rilevamento differenziale per ridurre ulteriormente il rumore ASE ed eliminare così la deriva della linea di base del segnale di ringdown. Un sensore di campo magnetico è stato sviluppato come dimostrazione dimostrativa. I risultati sperimentali dimostrano che è stato raggiunto il sensore proposto con una sensibilità di 0,01537 (1/km·Gs). Questa è la sensibilità al campo magnetico più alta rispetto al metodo FLRD attivo nel dominio del tempo. Grazie al rumore ASE ridotto, anche la stabilità del sistema di rilevamento proposto è stata notevolmente migliorata.

La tecnica di rilevamento FCRD (Fibre Cavity Ringdown) è un metodo altamente sensibile per misurare le perdite ottiche1,2,3. Similmente allo schema CRD convenzionale, la perdita di cavità può essere determinata dal tasso di decadimento solitamente chiamato tempo di ringdown del laser pulsato. Ma a differenza del metodo CRD convenzionale, in cui la luce rimbalza avanti e indietro tra due specchi, FCRD utilizza solitamente una coppia di accoppiatori direzionali della fibra con un elevato rapporto di divisione per formare la cavità della fibra per ottenere l'approccio multi-passaggio. Rispetto alla cavità a specchio, una cavità in fibra presenta i vantaggi di essere priva di allineamento, robustezza, basso costo e adatta per reti di sensori multifunzione su larga scala, il che ha reso FCRD una scelta popolare per molte applicazioni come gas4 , liquido5,6, indice di rifrazione7, deformazione8, temperatura9, rilevamento del campo magnetico10 e così via. Tuttavia, la cavità della fibra ha il difetto di una grande perdita intrinseca della cavità dovuta alla grande perdita di inserzione degli accoppiatori della fibra e delle teste del sensore, che porta ad una scarsa sensibilità.

Per migliorare la sensibilità, un modo semplice per raggiungere questo obiettivo è ridurre le perdite di inserzione delle teste dei sensori, ma il miglioramento è ancora limitato. Un altro approccio consiste nel compensare la perdita intrinseca della cavità introducendo un amplificatore in fibra drogata con erbio (EDFA) nella cavità della fibra. Poiché l'EDFA viene utilizzato come fonte di guadagno, questo nuovo FCRD viene solitamente denominato FCRD attivo nel dominio del tempo o FCRD amplificato11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21. Nel 2001, la tecnica FCRD attiva è stata proposta per la prima volta da George Stewart e la sensibilità è stata migliorata perché la perdita intrinseca della cavità può essere sufficientemente compensata dall'EDFA11. Tuttavia, il metodo di rilevamento FCRD attivo comporta anche due nuovi problemi. Uno è la fluttuazione del guadagno dell'EDFA, che provoca un decadimento non esponenziale del segnale di ringdown e quindi degrada la precisione della misurazione e la stabilità a lungo termine20,21. Un altro è il rumore dell'emissione spontanea amplificata (ASE) prodotto dall'EDFA, che provoca la deriva della linea di base del segnale di ringdown e riduce la stabilità del sistema di rilevamento12,13,17. Per ridurre al minimo l'impatto della fluttuazione del guadagno, nella cavità della fibra è stato utilizzato un EDFA con blocco del guadagno per ridurre l'effetto di fluttuazione del guadagno14,16, ma la fluttuazione del guadagno esiste ancora perché il laser pulsato è stato utilizzato nell'FCRD attivo nel dominio del tempo per eccitare la cavità della fibra e quindi non può fornire la stabilizzazione della potenza nella cavità della fibra, quindi la stabilità era solitamente solo del 10% circa, il che non era adatto all'applicazione pratica18. Fortunatamente, è stato proposto un laser caotico per stabilizzare la potenza del laser nella cavità della fibra e l'influenza della fluttuazione del guadagno è stata effettivamente soppressa, pertanto recentemente è stata raggiunta una buona stabilità del 2,84%19. Per migliorare la stabilità è stato suggerito un filtro adattivo per sopprimere il rumore ASE12,13, tuttavia è impossibile eliminarlo completamente e quindi la stabilità non è ancora sufficiente.