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Jun 29, 2023

Sensor óptico usando espaço

Relatórios Científicos volume 12, número do artigo: 13369 (2022) Citar este artigo 963 Detalhes de métricas de acesso Uma nova técnica de ringdown de cavidade de fibra ativa (FCRD) usando interferometria com mudança de frequência

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

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Detalhes das métricas

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.