Nachricht

Jan 24, 2024

Optischer Sensor mit Platzbedarf

Scientific Reports Band 12, Artikelnummer: 13369 (2022) Diesen Artikel zitieren Eine neuartige Active Fiber Cavity Ringdown (FCRD)-Technik mit frequenzverschobener Interferometrie (FSI) wird für vorgeschlagen

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 13369 (2022) Diesen Artikel zitieren

Zum ersten Mal wird eine neuartige FCRD-Technik (Active Fiber Cavity Ringdown) unter Verwendung der frequenzverschobenen Interferometrie (FSI) vorgeschlagen. Mit diesem Schema können externe Parameter im Raumbereich überwacht werden, indem die Abklingentfernung anstelle der Abklingzeit gemessen wird. Ein bidirektionaler Erbium-dotierter Faserverstärker (Bi-EDFA) wird eingesetzt, um den inhärenten Hohlraumverlust zu kompensieren und so eine höhere Empfindlichkeit zu erreichen. Und zwei Bandpassfilter werden verwendet, um das Rauschen der verstärkten spontanen Emission (ASE) des Bi-EDFA zu reduzieren. Im Vergleich zum bekannten aktiven FCRD-Schema im Zeitbereich können wir mit unserer vorgeschlagenen Methode auf die Verwendung eines gepulsten Lasers verzichten, der beim aktiven FCRD im Zeitbereich erforderlich ist. Es verwendet einen Dauerstrichlaser, um in den Faserhohlraum einzudringen und die optische Leistung im Faserhohlraum zu stabilisieren Faserhohlraum, der die durch die Verstärkungsschwankungen des EDFA verursachte Basisliniendrift des Ringdown-Signals unterdrücken und so die Erkennungsgenauigkeit verbessern kann. Darüber hinaus ermöglicht uns diese neuartige Methode die Verwendung einer Differenzerkennungsmethode zur weiteren Reduzierung des ASE-Rauschens und damit zur Eliminierung der Basisliniendrift des Ringdown-Signals. Als Proof-of-Concept-Demonstration wurde ein Magnetfeldsensor entwickelt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass der vorgeschlagene Sensor eine Empfindlichkeit von 0,01537 (1/km·Gs) erreicht hat. Dies ist die höchste Magnetfeldempfindlichkeit im Vergleich zur zeitdomänenaktiven FLRD-Methode. Aufgrund des reduzierten ASE-Rauschens wurde auch die Stabilität des vorgeschlagenen Sensorsystems erheblich verbessert.

Die Fiber Cavity Ringdown (FCRD)-Sensortechnik ist eine hochempfindliche Methode zur Messung optischer Verluste1,2,3. Ähnlich wie beim herkömmlichen CRD-Schema kann der Hohlraumverlust aus der Abklingrate bestimmt werden, die üblicherweise als Abklingzeit des gepulsten Lasers bezeichnet wird. Aber anders als bei herkömmlichen CRD-Methoden, bei denen das Licht zwischen zwei Spiegeln hin- und herreflektiert wird, verwendet FCRD normalerweise ein Paar Faserrichtungskoppler mit hohem Teilungsverhältnis, um den Faserhohlraum zu bilden und so den Multi-Pass-Ansatz zu erreichen. Im Vergleich zu einem spiegelbasierten Hohlraum hat ein Faserhohlraum die Vorteile, dass er ausrichtungsfrei, robust und kostengünstig ist und sich für groß angelegte, multifunktionale Sensornetzwerke eignet, was FCRD zu einer beliebten Wahl für viele Anwendungen wie Gas4 gemacht hat , Flüssigkeit5,6, Brechungsindex7, Dehnung8, Temperatur9, Magnetfeldmessung10 und so weiter. Der Nachteil des Faserhohlraums besteht jedoch darin, dass er aufgrund der großen Einfügungsdämpfung von Faserkopplern und Sensorköpfen einen großen inhärenten Hohlraumverlust aufweist, was zu einer schlechten Empfindlichkeit führt.

Um die Empfindlichkeit zu verbessern, besteht ein einfacher Weg, dieses Ziel zu erreichen, darin, die Einfügungsverluste der Sensorköpfe zu reduzieren, aber die Verbesserung ist noch begrenzt. Ein anderer Ansatz besteht darin, den inhärenten Hohlraumverlust durch die Einführung eines Erbium-dotierten Faserverstärkers (EDFA) in den Faserhohlraum zu kompensieren. Da der EDFA als Verstärkungsquelle dient, wird dieser neue FCRD üblicherweise als zeitbereichsaktiver FCRD oder verstärkter FCRD11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21 bezeichnet. Im Jahr 2001 wurde die aktive FCRD-Technik erstmals von George Stewart vorgeschlagen und die Empfindlichkeit verbessert, da der inhärente Hohlraumverlust durch EDFA ausreichend kompensiert werden kann11. Allerdings bringt die aktive FCRD-Erfassungsmethode auch zwei neue Probleme mit sich. Einer davon ist die Verstärkungsschwankung des EDFA, die zu einem nichtexponentiellen Abfall des Ringdown-Signals führt und somit die Messgenauigkeit und Langzeitstabilität beeinträchtigt20,21. Ein weiterer Grund ist das von EDFA erzeugte verstärkte Spontanemissionsrauschen (ASE), das die Basisliniendrift des Ringdown-Signals verursacht und die Stabilität des Sensorsystems verringert12,13,17. Um die Auswirkungen von Verstärkungsschwankungen zu minimieren, wurde im Faserhohlraum ein EDFA mit Verstärkungsklemme verwendet, um den Verstärkungsfluktuationseffekt zu reduzieren14,16. Die Verstärkungsschwankungen bestehen jedoch immer noch, da der gepulste Laser im aktiven FCRD im Zeitbereich zur Anregung des Faserhohlraums verwendet wurde Daher kann die Leistungsstabilisierung im Faserhohlraum nicht gewährleistet werden, sodass die Stabilität normalerweise nur etwa 10 % betrug, was für die praktische Anwendung nicht geeignet war18. Glücklicherweise wurde ein chaotischer Laser vorgeschlagen, um die Laserleistung im Faserhohlraum zu stabilisieren, und der Einfluss der Verstärkungsschwankung wurde wirksam unterdrückt, sodass kürzlich eine gute Stabilität von 2,84 % erreicht wurde19. Um die Stabilität zu verbessern, wurde ein adaptiver Filter zur Unterdrückung des ASE-Rauschens vorgeschlagen12,13, es ist jedoch unmöglich, es vollständig zu eliminieren und daher war die Stabilität immer noch nicht ausreichend.

Die herkömmliche FCRD-Methode gehört zur Zeitbereichs-Erfassungstechnik, da sie normalerweise einen gepulsten Laser verwendet, um den Faserhohlraum anzuregen und seine Abklingrate (Abklingzeit) im Zeitbereich zu messen. Da dieses Schema auf der Verwendung eines teuren gepulsten Lasers, eines schnellen Detektors und einer schnellen Datenerfassungskarte (DAQ) basiert, verursacht es hohe Instrumentenkosten und schränkt seine Anwendungsmöglichkeiten ein. Um die oben genannten Probleme des herkömmlichen FCRD-Schemas zu lösen, wurde eine passive FCRD-Technik im Raumbereich vorgeschlagen, die auf frequenzverschobener Interferometrie (FSI) basiert und üblicherweise als FSI-FCRD22,23 bezeichnet wird. Dieses neuartige Schema beruht nicht auf einer Zeitbereichsmessung eines abklingenden gepulsten Lasers. Stattdessen ist es in der Lage, die Hohlraumverlustinformationen durch Messung der Abklingdistanz abzuleiten. Im Vergleich zur herkömmlichen FCRD-Methode war dieses neue Schema kostengünstiger, da es einen kostengünstigen Dauerstrichlaser (CW) und einen langsamen Detektor verwendet, ohne dass ein teurer gepulster Laser und schnelle Elektronik erforderlich sind. Aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften, wie niedrige Kosten und hohe Stabilität, hat die passive FCRD-Technik im Raumbereich immer mehr Interesse auf sich gezogen und wird häufig für viele Sensoranwendungen eingesetzt, wie z. B. Dehnungsmessung25, Brechungsindexerkennung24, Magnetfeldmessung27 und so weiter An. Es besteht jedoch das gleiche Problem eines großen inhärenten Hohlraumverlusts wie bei der passiven FCRD-Erfassungsmethode im Zeitbereich, was die Empfindlichkeit des Erfassungssystems einschränkt. Um den Anforderungen vieler praktischer Anwendungen an eine hohe Empfindlichkeit gerecht zu werden, muss dringend ein aktives FCRD im Raumbereich entwickelt werden. Nach unserem besten Wissen wurde dies jedoch noch nicht gemeldet.

In diesem Artikel haben wir zum ersten Mal die aktive FCRD-Technik im Raumbereich vorgeschlagen und erfolgreich Proof-of-Concept-Experimente zur Messung des Magnetfelds durchgeführt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass dieses neuartige Schema nicht nur die Empfindlichkeit erheblich erhöhen kann, sondern auch die Stabilität des Erfassungssystems verbessern kann, da die Basisliniendrift des Ringdown-Signals durch die Verstärkungsschwankung verringert wird, indem eine CW-Quelle zur Stabilisierung verwendet wird Laserleistung im Faserhohlraum. Sie unterscheidet sich grundlegend von der aktiven FCRD-Technik im Zeitbereich, da diese einen gepulsten Laser zum Injizieren des Faserhohlraums erfordert und somit eine große Verstärkungsschwankung erzeugt wird. Dieses Papier ist wie folgt aufgebaut. Im „Prinzip“ stellen wir das Prinzip des raumbereichsaktiven FCRD vor. In „Versuchsaufbau“ und „Ergebnisse und Diskussion“ zeigen wir jeweils den Versuchsaufbau und die Versuchsergebnisse des aktiven FCRD-Magnetfeldsensorsystems im Raumbereich. Der letzte Abschnitt ist eine kurze Zusammenfassung.

Das schematische Diagramm des aktiven FCRD-Sensorsystems im Raumbereich ist in Abb. 1 dargestellt. Aus Abb. 1 können wir ersehen, dass eine Sagnac-Interferenzschleife mit einem asymmetrisch eingebetteten Frequenzschieber ein frequenzverschobenes Interferometer darstellt28. Ein aktiver Faserhohlraum besteht aus zwei Faserkopplern (C1 und C2) mit hohen Teilungsverhältnissen, einem Sensorkopf (SH) und einem bidirektionalen Erbium-dotierten Faserverstärker (Bi-EDFA), der in das frequenzverschobene Interferometer eingesetzt wird bilden das aktive FCRD-Sensorsystem im Raumbereich. Das Funktionsprinzip des aktiven FCRD-Sensorsystems im Raumbereich kann wie folgt beschrieben werden. Das vom abstimmbaren Halbleiterlaser (TSL) erzeugte CW-Licht wird über den Zirkulator (Cir) und den Faserkoppler C0 in das frequenzverschobene Interferometer eingekoppelt. Es erzeugt zwei Lichtstrahlen, die in entgegengesetzter Richtung durch den Faserhohlraum zirkulieren. Ein Bi-EDFA, wie in Abb. 1 gezeigt, wird in den Faserhohlraum eingebaut, um die Intensität der beiden Lichtstrahlen im Hohlraum zu verstärken. Dadurch wird der inhärente Hohlraumverlust kompensiert, die Wechselwirkungszeit zwischen Licht und Probe verlängert und die beiden Lichtstrahlen werden langsamer gedämpft. Kleine Mengen der Lichtstrahlen entweichen aus dem Faserhohlraum und treffen nach jedem Hin- und Rücklauf im Hohlraum auf den Koppler C0. Die Interferenz tritt zwischen den beiden gegenläufigen Lichtstrahlen auf, die aus dem Faserhohlraum austreten, nachdem sie die gleiche Anzahl von Hin- und Rückläufen durchlaufen haben. Wenn ein Frequenzbereich von Δf ausgehend von einer Anfangsfrequenz f0 über eine Dauer von tsw abgetastet wird, ist das differentielle Interferenzsignal am symmetrischen Detektor (BD) eine sinusförmige Funktion der Zeit t22,23

Dabei ist n der Brechungsindex der Singlemode-Faser, L die Länge des Faserhohlraums, L0 eine Konstante, f die vom Frequenzschieber erzeugte Frequenzverschiebung, c die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts im Vakuum und φ0m ist eine feste Anfangsphase ohne Auswirkung auf unsere Berechnung, Fm = n(mL + L0)Δf/(ctsw) (m = 0, 1, 2, …) ist die Schwingungsfrequenz, die eine lineare Beziehung zur Umlaufzahl m22 hat. Da c sehr groß ist, kann das Erfassungssystem mit der niedrigen Oszillationsfrequenz Fm arbeiten, d. h. mit FSI wird eine langsame Erkennung erreicht und somit die Kosten gesenkt. Im ist die Intensität des Interferenzlichts nach m Hin- und Rückflügen:

Dabei ist I0 die Anfangsintensität, l = mL die vom Licht im Faserhohlraum zurückgelegte Strecke und \(\alpha_{0}\) der Nettohohlraumverlust, der den gesamten Faserübertragungsverlust \(\alpha_{ c}\) und die Verstärkung G des Bi-EDFA im Faserhohlraum und kann angegeben werden durch:

wobei \(\alpha_{AR}\) den Faserabsorptionsverlust darstellt, \(\alpha_{ST}\) der Faserstreuverlust ist, \(\alpha_{FS}\) der Faserfusionsverlust ist und \(\ alpha_{IR}\) ist die Einfügungsdämpfung der Komponenten einschließlich der beiden Faserkoppler, des Polarisationsreglers und des Sensorkopfs (SH). \(\alpha_{c} { = }\alpha_{AR} { + }\alpha_{IR} { + }\alpha_{ST} + \alpha_{FS}\) stellt den inhärenten Hohlraumverlust dar, der größer ist als der Nettohohlraumverlust \(\alpha_{0}\).

Schematische Darstellung des aktiven FCRD-Sensorsystems im Raumbereich. Abstimmbarer TSL-Halbleiterlaser; ISO-Isolator, Cir-Zirkulator, C0-3-dB-Faserkoppler, C1- und C2-Faserkoppler mit hohem Teilungsverhältnis, PC1- und PC2-Polarisationsregler, SH-Sensorkopf, bidirektionaler Erbium-dotierter Faserverstärker Bi-EDFA, akusto-optischer AOM-Modulator, BD-symmetrisch Detektor, DAQ-Datenerfassungskarte.

Wie aus den Gleichungen ersichtlich ist. (1)–(3) Im ist eine exponentiell abfallende Funktion der Ausbreitungsstrecke l, während Fm eine lineare Funktion von l gemäß der Beziehung l = mL ist. Daher kann man durch lineares Durchlaufen der Frequenzverschiebung f und Anwenden einer schnellen Fourier-Transformation (FFT) auf ΔI das Fourier-Spektrum von ΔI erhalten, das eine Reihe exponentiell abfallender Peaks bei Fm aufweist. Nach der Umrechnung der Frequenz Fm in die Ausbreitungsentfernung l' unter Verwendung der Formel l' = l + L0 = cFm/n wird das Fourier-Spektrum von ΔI als Ausbreitungsentfernung zu einem Ringdown-Transienten22,23, was darauf hinweist, dass unsere vorgeschlagene Methode zu a gehört Raumbereichs-FCRD-Technik, realisiert unter Verwendung des FSI-Schemas. Der Abstand, der erforderlich ist, damit die Lichtintensität auf 1/e der anfänglichen Lichtintensität abnimmt, kann als Abklingdistanz definiert werden, die analog zur Abklingzeit1 ist. Wenn keine äußere Einwirkung auf den SH ausgeübt wird, kann der Abklingabstand \(\Lambda_{0}\) wie folgt geschrieben werden:

Wenn eine äußere Einwirkung P (Magnetfeld, Druck, Dehnung usw.) auf den SH ausgeübt wird, entsteht ein zusätzlicher Verlust \(\alpha_{s}\), der zu einer Änderung des Abklingabstands führt. In diesem Fall kann die Ringdown-Distanz \(\Lambda\) wie folgt umgeschrieben werden:

wobei \(\alpha_{s} = \xi l_{s} P\), \(\xi\) der durch äußere Einwirkung induzierte Absorptionskoeffizient26 und \(l_{s}\) die Länge des SH ist . Kombinieren von Gl. (4) mit Gl. (5), wir haben:

Offensichtlich wird der externe Parameter durch Messung der Abklingabstände \(\Lambda\) (mit angewendeter externer Einwirkung) und \(\Lambda_{0}\)(ohne angewendete externe Einwirkung) und der reziproken Differenz (\( 1/\Lambda - 1/\Lambda_{0}\)) des Ringdown-Abstands ändert sich linear mit der Änderung der externen Einwirkung für einen bestimmten aktiven FCRD-Sensor im Raumbereich. Die Steigung \(k{ = }\xi l_{s} /L\) stellt die Empfindlichkeit des Sensors gegenüber der Sensoraktivität dar, die durch Anpassen der Länge von SH und der Hohlraumlänge angepasst werden kann. Darüber hinaus ist die Nachweisgrenze auch ein wichtiger Indikator für die Systemleistung, die als minimal nachweisbarer externer Parameter Pmin definiert ist. Es kann durch Ableitung beider Seiten von Gleichung erhalten werden. (6)

Dabei ist \(N_{e} = \Lambda_{0} /L\) die effektive Anzahl der Hin- und Rückläufe, die das Licht innerhalb der Ringdown-Distanz \(\Lambda_{0}\) zurücklegt, die im Wesentlichen die mehreren Interaktionsrunden in darstellt der SH. Daher wird unser vorgeschlagener Sensor im Vergleich zur Nachweisgrenze eines intensitätsbasierten faseroptischen Sensors die Nachweisgrenze um den Faktor Ne verbessern. \(\delta \Lambda\) und \(\overline{\Lambda }\) bezeichnen die Standardabweichung bzw. den Durchschnittswert der Ringdown-Distanz unter der Bedingung, dass keine äußere Einwirkung auf den SH ausgeübt wird. Das Verhältnis \(\delta \Lambda /\overline{\Lambda }\) kann als Stabilität des vorgeschlagenen Sensorsystems definiert werden, was der Definition der Stabilität im Zeitbereich-FCRD-Sensorsystem1 ähnelt. Gleichung (7) zeigt, dass bei guter Stabilität eine hohe Nachweisgrenze zu erwarten ist, was für die praktische Anwendung sehr wichtig ist. Da die Verstärkung von Bi-EDFA den Hohlraumverlust verringern und die Ringdown-Distanz verlängern kann, weist die aktive FCRD-Technik im Raumbereich eine größere effektive Zirkulationszahl auf und führt somit zu einer höheren Empfindlichkeit und Nachweisgrenze. Eine höhere Empfindlichkeit führt jedoch normalerweise zu einem kleineren Dynamikbereich und umgekehrt29. Das heißt, sie sollten entsprechend den Anforderungen der praktischen Anwendungen kompromittiert werden.

Um die Machbarkeit unseres vorgeschlagenen Konzepts zu überprüfen, wurde ein aktives FCRD-Sensorsystem im Raumbereich für die Magnetfeldmessung konstruiert, wie in Abb. 2 dargestellt. Ein abstimmbarer Halbleiterlaser (TSL, Santec TSL-550) wurde zur Erzeugung von CW-Licht eingesetzt . Während der Experimente zur Magnetfeldmessung wurde die Ausgangsleistung von TSL auf 9 mW bei 1530,37 nm eingestellt. Als Frequenzschieber diente ein akusto-optischer Modulator (AOM, Brimrose, AMM-100-20-25-1550-2FP), dessen Wobbelfrequenz in Schritten von 0,02 MHz und Frequenzabtastperioden von 90 auf 110 MHz anstieg von 1 s. Zwei Faserkoppler mit einem Aufteilungsverhältnis von 99,5:0,5 bildeten den Faserhohlraum mit einer Länge von ~ 130 m. Zwei Polarisationsregler (PC1 und PC2) wurden verwendet, um den Polarisationszustand des CW-Lichts zu optimieren und so den sichtbaren Interferenzstreifen zu erhalten. Das differenzielle Interferenzsignal wurde vom symmetrischen Detektor (BD, New Focus Modell 2117) erfasst und dann von einer Datenerfassungskarte (DAQ, NI USB-6361) mit einer Abtastrate von 100 kS/s aufgezeichnet. Beachten Sie, dass diese Erkennungsgeschwindigkeit viel langsamer ist als die eines herkömmlichen Zeitbereichs-FCRD-Erfassungssystems1,16. Das gesammelte Signal wurde dann an den Desktop-Computer übertragen und von einem Labview-Programm in Echtzeit verarbeitet.

Der experimentelle Aufbau des raumdomänenaktiven FCRD-Magnetfelderfassungssystems.

Als Beweis des Prinzips haben wir den durch das Magnetfeld induzierten Hohlraumverlust eingeführt und eine mit magnetischer Flüssigkeit (MF) beschichtete seitlich polierte Faser (SPF) als SH (siehe Abb. 3a, b) für magnetische Zwecke verwendet Felderkennung. Der SPF (Micro photons Technology Co., NIR-SPF-W1550-2) wurde durch seitliches Polieren des Mantels einer Singlemode-Faser auf 5–6 μm vom Kern entfernt hergestellt, was den evaneszenten Feldeffekt im polierten Bereich deutlich verstärkte mit einer Länge von 17 mm. Im Vergleich zu den sich verjüngenden Fasern weist der SPF eine höhere mechanische Festigkeit auf, da die andere Seite der Faser intakt ist. Darüber hinaus erfordert die Herstellungsmethode kein Pigtailing und kein Eindringen in den Kern der Faser, was zu einer robusten Struktur führt. Dann wurde der SPF in einer Plexiglasbox eingekapselt, die mit dem MF (wasserbasiertes Ferrofluid, EMG-603P, Ferrotec (USA) Corp.) gefüllt war. Das MF war ein stabiles Ferrofluid auf Wasserbasis mit Fe3O4 als magnetischen Nanopartikeln. Aufgrund der Agglomeration von Fe3O4-Partikeln und der Bildung einer langkettigen Struktur, die parallel zur Magnetfeldrichtung28 verläuft, ändern sich der Brechungsindex und der Absorptionskoeffizient von MF mit der Änderung der Umgebungsmagnetfeldstärke. Wenn das Magnetfeld auf den vorgeschlagenen SH angewendet wird, kommt es zu einem magnetfeldinduzierten Hohlraumverlust, der zu einer Änderung des Ringdown-Abstands führt. Folglich kann das angelegte Magnetfeld durch Überwachung der Änderung des Abklingabstands gemessen werden. Die beiden kleinen Löcher oben in der Plexiglasbox wurden mit Paraffin gefüllt, um zu verhindern, dass der MF die Box überläuft. Ein selbstgebautes Magnetfelderzeugungsgerät erzeugte in den Experimenten das Magnetfeld, das aus zwei quadratischen Eisenkernen bestand, die eng mit Kupferdraht umwickelt waren und von einem digital geregelten Gleichstromnetzteil (DC) gespeist wurden. Die Richtung des Magnetfelds verlief senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des CW-Lichts im Faserhohlraum. Zur Messung des Magnetfeldes wurde ein Gaussmeter (Pafei Hangzhou, BST-801) als Benchmark verwendet.

(a) Schematische Darstellung des Magnetfeldsensorkopfes; (b) physische Ansicht des Magnetfeldsensorkopfes.

Es ist erwähnenswert, dass das hier verwendete EMG-603P MF nicht wie in unserer jüngsten Arbeit mit destilliertem Wasser verdünnt wurde31. Das Ringdown-Ereignis im Raumbereich konnte ohnehin nicht beobachtet werden, bevor das Bi-EDFA innerhalb des Faserhohlraums verbunden wurde, was darauf hindeutet, dass eine hohe MF-Konzentration einen großen Hohlraumverlust verursacht. Nachdem jedoch ein maßgeschneidertes Bi-EDFA (Tianjin Junfeng Technology Co., EDFA-WDM-C-MB) verwendet wurde, um die bidirektionale Verstärkung der CW-Lichtintensität zu realisieren, konnte der Ringdown-Transient im Raumbereich sofort beobachtet werden. Es zeigt sich experimentell, dass Bi-EDFA den Hohlraumverlust kompensieren und die Ringdown-Distanz verlängern kann. Im Bi-EDFA wurden zwei Bandpassfilter eingekapselt, um das ASE-Rauschen herauszufiltern, jeweils mit einer zentralen Betriebswellenlänge von 1.530,33 nm und einer 3-dB-Bandbreite von 0,8 nm. Der Pumpstrom des Bi-EDFA wurde während der Experimente auf 135 mA eingestellt.

Ein typisches differenzielles Interferenzsignal ist in Abb. 4a dargestellt, wenn kein externes Magnetfeld an den SH angelegt wurde, und die entsprechende Ringdown-Wellenform im Raumbereich (siehe Abb. 4b) wurde nach einer FFT des differenziellen Interferenzsignals erhalten. Die Spitzen des Ringdown-Signals können durch Anwendung eines Spitzenextraktionsalgorithmus extrahiert werden. Durch Anpassen dieser Peaks an eine Exponentialfunktion (EXP) wurde eine exponentielle Abklingkurve erhalten. Dann wurde die Ringdown-Distanz gemäß seiner Definition auf 1.028 m berechnet, und die Hohlraumlänge betrug ~ 129 m, indem der durchschnittliche Abstand zwischen zwei benachbarten Gipfeln berechnet wurde. Nach Gl. (4) Der Nettohohlraumverlust kann ohne externes Magnetfeld auf 0,548 dB geschätzt werden.

Die typischen Signale, die mit der Space-Domain-Active-FCRD-Technik gemessen werden. (a) Das differenzielle Interferenzsignal im Zeitbereich; (b) der entsprechende Ringdown-Transient im Raumbereich.

Um die Reaktion des vorgeschlagenen Sensorsystems auf Magnetfelder zu charakterisieren und seine Empfindlichkeit zu bewerten, wurden Magnetfelder im Bereich von 0 bis 170 Gs an den SH angelegt und die Abklingsignale gemessen. Die erzielten Ergebnisse sind in Abb. 5a dargestellt. Durch die Verwendung des Peak-Extraktionsalgorithmus und des EXP-Anpassungsalgorithmus sind die erhaltenen exponentiellen Abklingkurven bei unterschiedlichen Magnetfeldstärken in Abb. 5b dargestellt. Mit steigender Magnetfeldstärke wird die Dämpfung des Ringdown-Signals schneller, was zeigt, dass die Ringdown-Distanz mit zunehmender Magnetfeldstärke abnimmt. Denn: Wenn kein Magnetfeld angelegt ist, sind die magnetischen Nanopartikel gleichmäßig in der Trägerflüssigkeit verteilt; Wenn hingegen das Magnetfeld angelegt wird, gruppieren sich die magnetischen Nanopartikel allmählich entlang der Richtung des Magnetfelds. Mit zunehmender Intensität des Magnetfeldes ordnen sich immer mehr magnetische Nanopartikel in kurz- und langkettigen Strukturen an, was zu einem Anstieg des Brechungsindex des MF30 führt. Dadurch tritt mehr evaneszente Welle aus dem SPF aus, der Hohlraumverlust nimmt zu und somit verringert sich die Abklingstrecke. Dieses Ergebnis ist auch in Abb. 6 deutlich zu erkennen, in der die Messung bei jeder Magnetfeldstärke 30 Mal wiederholt wurde, um die Messfehler zu reduzieren. Berechnungen zufolge reduzierte sich die vom Sensorsystem gemessene durchschnittliche Ringdown-Distanz von 1017 m auf 313 m. Um die Reaktionseigenschaften unseres vorgeschlagenen Sensorsystems klar zu demonstrieren, wurde die Beziehung zwischen der reziproken Differenz des Ringdown-Abstands (1/Ʌ – 1/Ʌ0) und der magnetischen Feldstärke H wie in Abb. 7 dargestellt dargestellt. Als magnetische Feldstärke zunimmt, nimmt die reziproke Differenz des Abklingabstands allmählich zu. Durch lineare Anpassung kann festgestellt werden, dass im Bereich von 70–150 Gs Magnetfeldstärke der R-Quadrat-Grad der linearen Anpassung 0,9530 erreicht. Dies weist darauf hin, dass das Sensorsystem eine gute lineare Reaktion aufweist, was auch gut mit dem in Gleichung (1) beschriebenen theoretischen Ergebnis übereinstimmt. (6). Andere Regionen zeigen einen nichtlinearen Änderungstrend, der hauptsächlich durch die anfängliche Magnetisierung der magnetischen Flüssigkeit verursacht wurde10, und wenn die angelegte Magnetfeldstärke 150 Gs überschritt, führte ein übermäßiger Hohlraumverlust durch das Magnetfeld zu einer ungenauen Messung und sogar zum Verschwinden der Rufsignal. Die Polynomanpassung wurde auf alle Datenpunkte angewendet und es wurde eine nichtlineare Kurve mit einem guten R-Quadrat von 0,9891 erhalten. Es zeigt an, dass der Messbereich des vorgeschlagenen Schemas 170 Gs oder mehr betragen kann. Obwohl der lineare Ansprechbereich begrenzt ist, wäre eine hohe Empfindlichkeit zu erwarten, da ein kleinerer Messbereich normalerweise zu einer höheren Empfindlichkeit führt. Die angepasste Steigung beträgt 0,01537, was bedeutet, dass die Empfindlichkeit des Sensorsystems 1,537 × 10–2 (1/km·Gs) beträgt. Durch Umrechnung der Abklingzeit/Abstandsänderung als Funktion der Magnetfeldstärke.

Die typischen Signale, die mit der Space-Domain-Active-FCRD-Technik gemessen werden. (a) das differenzielle Interferenzsignal im Zeitbereich; (b) der entsprechende Ringdown-Transient im Raumbereich.

Ringdown-Distanz im Verhältnis zur magnetischen Feldstärke.

Reziproker Unterschied der Ringdown-Distanz.

Wenn man die Kavitätsverluständerung berücksichtigt, um die Einheiten gleich zu halten, kann festgestellt werden, dass die Empfindlichkeiten der in29 gemeldeten passiven FCRD-Magnetfeldsensoren im Zeitbereich, des aktiven FCRD-Magnetfelderfassungssystems im Zeitbereich30 und des passiven FCRD-Magnetfelds im Raumbereich sind Sensorsystem27 waren alle niedriger als die Empfindlichkeit unseres vorgeschlagenen Sensorsystems, wie in Tabelle 1 gezeigt. Offensichtlich kann die Empfindlichkeit des aktiven Sensorsystems im Raumbereich durch Erhöhen der Verstärkung von Bi-EDFA weiter erhöht werden, aber eine große Verstärkung bringt eine höheres ASE-Rauschen, was die Stabilität des Sensorsystems beeinträchtigt. Darüber hinaus gilt nach Gl. (6) Die Empfindlichkeit kann auch durch eine Vergrößerung der SH-Länge weiter verbessert werden, allerdings wird dadurch der Messbereich beeinträchtigt. Daher sollten die Empfindlichkeit und der Messbereich des vorgeschlagenen Sensorsystems an die spezifischen Leistungsanforderungen der praktischen Anwendungen angepasst werden.

Abschließend wurde auch die Stabilität des Sensorsystems getestet. Der Ringdown-Abstand wurde hundertmal wiederholt gemessen, als kein Magnetfeld an den SH angelegt wurde, und die Ergebnisse sind in Abb. 8 dargestellt. Der erhaltene mittlere Ringdown-Abstand betrug 1019 m und die Standardabweichung betrug 8,1 m. Gemäß der Stabilitätsdefinition im „Prinzip“ wurde eine Stabilität von 0,79 % erreicht, was viel besser ist als die des zeitdomänenaktiven FCRD-Sensorsystems mit einer Stabilität von etwa 10 %1,13,18 und auch besser des chaotischen Korrelations-FCRD-Sensorsystems mit einer Stabilität von 0,846 % durch die Verwendung eines chaotischen Lasers anstelle eines gepulsten Lasers, um die Verstärkungsschwankungen von EDFA19 effektiv zu unterdrücken. Die bessere Stabilität des vorgeschlagenen Sensorsystems ist auf die Verwendung einer CW-Lichtquelle zur Gewährleistung der Leistungsstabilität im Faserhohlraum zur Unterdrückung der Grundliniendrift des Ringdown-Signals zurückzuführen, die durch die Verstärkungsschwankungen des Bi-EDFA verursacht wird, und auf die Verwendung von Differential Erkennung zur Eliminierung von DC-Rauschen und die Essenz von Gleichtaktstörungen zur Unterdrückung von Gleichtaktrauschen. Nach Gl. (7) betrug die berechnete Nachweisgrenze des vorgeschlagenen Sensorsystems 0,504 Gs, was besser ist als die des FCRD-basierten Magnetfeldsensors, der in31,32,33 beschrieben wurde. Darüber hinaus wurde die effektive Anzahl von Roundtrips Ne mit etwa 8 berechnet, was 8 Interaktionsrunden im SH bedeutet. Mit anderen Worten: Die Nachweisgrenze ist etwa achtmal höher als bei herkömmlichen intensitätsbasierten Sensoren.

Stabilitätsmessergebnisse des vorgeschlagenen Sensorsystems.

In dieser Arbeit wurde zunächst eine aktive FCRD-Erfassungstechnik im Raumbereich durch Einführung des Bi-EDFA zur Kompensation des inhärenten Hohlraumverlusts vorgeschlagen, und es wurden Experimente zur Magnetfelderfassung durchgeführt, um das Konzept zu verifizieren. Im Vergleich zum herkömmlichen aktiven FCRD-Schema im Zeitbereich benötigt diese neuartige Methode keinen gepulsten Laser und keinen schnellen Detektor, was die Systemkosten senkt. Es verwendet einen CW-Laser, um die Laserleistung im Faserhohlraum zu stabilisieren und so die durch die Verstärkungsschwankungen des Bi-EDFA verursachte Basisliniendrift des Ringdown-Signals effektiv zu unterdrücken, was eine gute Stabilität für das Sensorsystem bietet. Außerdem werden unterschiedliche Erkennungsmethoden genutzt, um ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis zu erzielen, wodurch die Stabilität des Sensorsystems weiter verbessert wird. Bei den Experimenten zur Magnetfeldmessung haben wir eine hohe Empfindlichkeit von 1,537 × 10–2 (1/km·Gs) und eine gute Stabilität von 0,79 % erreicht, was beides besser ist als die Werte der aktiven FCRD-Magnetfeldmessung im Zeitbereich Systeme. Die Ergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagene Methode kostengünstig und für viele praktische Anwendungen geeignet ist, bei denen hohe Empfindlichkeit und gute Stabilität erforderlich sind.

Wang, C. Fiber Loop Ringdown – Eine Zeitbereichs-Erfassungstechnik für Multifunktions-Glasfasersensorplattformen: Aktueller Status und Designperspektiven. Sensoren 9(10), 7595–7621 (2009).

Artikel CAS Google Scholar

Andrews, NLP et al. Nahinfrarot-Absorptionsdetektion in Picoliter-Flüssigkeitsvolumina mithilfe der Ring-Down-Detektion der verstärkten Faserschleife. Opt. Fasertechnologie. 19, 822–827 (2013).

Artikel CAS Google Scholar

Tarsa, PB, Rabinowitz, P. & Lehmann, KK Evaneszente Feldabsorption in einem passiven optischen Faserresonator unter Verwendung von kontinuierlicher Hohlraum-Ring-Down-Spektroskopie. Chem. Physik. Lette. 383(3–4), 297–303 (2004).

Artikel CAS Google Scholar

Qian, X., Zhao, Y., Zhang, Y.-N. & Wang, Q. Theoretische Untersuchung der Gassensormethode basierend auf der photonischen Kristallkavität und der Ring-Down-Technik der Faserschleife. Sens. Aktoren B Chem. 228, 665–672 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Andachi, M. et al. Faseroptische Ring-Down-Spektroskopie unter Verwendung eines abstimmbaren Pikosekunden-Diodenlasers mit Verstärkung. Appl. Physik. B 88, 131–135 (2007).

Artikel CAS Google Scholar

Rushworth, CM et al. Erstklassiges Design für die Fiber-Loop-Cavity-Ring-Down-Spektroskopie. Anal. Chem. 83(22), 8492–8500 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Sharma, K. et al. Faserbasierte Cavity-Ring-Down-Technik zur Messung des Brechungsindex bei 1953 nm unter Verwendung konischer Fasern. IEEE Sensors Lett. 1(3), 1–4 (2017).

Artikel Google Scholar

Tarsa, PB, Brzozowski, DM, Rabinowitz, P & Lehmann, KK Hohlraum-Ringdown-Dehnmessstreifen. Opt. Lette. 29(12), 1339–1341 (2004).

Artikel Google Scholar

Wang, C. & Mbi, A. Eine alternative Methode zur Entwicklung von Fasergitter-Temperatursensoren unter Verwendung des Faserschleifen-Ringdown-Schemas. Mess. Wissenschaft. Technol. 17, 1741–1751 (2006).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, Q. et al. Magnetfeldmessung basierend auf Faserschleifen-Ring-Down-Spektroskopie und geätzter Faser, die mit magnetischer Flüssigkeit interagiert. Opt. Komm. 356, 628–633 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Stewart, G., Atherton, K., Yu, H. & Culshaw, B. Eine Untersuchung einer optischen Faserverstärkerschleife für Intra-Resonator- und Ring-Down-Resonatorverlustmessungen. Mess. Wissenschaft. Technol. 12(7), 843–849 (2001).

Artikel CAS Google Scholar

Ni, N. & Chan, CC Verbesserung der Messgenauigkeit des faserverstärkten CRD-Gasmesssystems durch Verwendung eines digitalen adaptiven LMS-Filters. Mess. Wissenschaft. Technol. 17(8), 2349–2354 (2006).

Artikel CAS Google Scholar

Ni, N., Chan, CC, Chuah, TK, Xia, L. & Shum, P. Verbesserung der Messgenauigkeit eines kavitätsverstärkten chemischen Fasersensors durch einen adaptiven Filter. Mess. Wissenschaft. Technol. 19(11), 115203 (2008).

Artikel Google Scholar

Waechter, H., Litman, J., Cheung, AH, Barnes, JA & Loock, H. Chemische Sensorik mittels Faserhohlraum-Ring-Down-Spektroskopie. Sensoren 10(3), 1716–1742 (2010).

Artikel CAS Google Scholar

Andrews, NL, Litman, J., Stroh, D., Barnes, JA & Loock, H. Nahinfrarot-Absorptionsdetektion in Picoliter-Flüssigkeitsvolumina unter Verwendung einer verstärkten Ring-Down-Detektion der Faserschleife. Opt. Fasertechnologie. 19(6), 822–827 (2013).

Artikel CAS Google Scholar

Zhao, Y. et al. Neuartiger Gassensor kombiniert aktives Faserschleifen-Ring-Down und differenzielle Absorptionsmethode mit zwei Wellenlängen. Opt. Exp. 22(9), 11244–11253 (2014).

Artikel Google Scholar

Cheng, C. et al. Theoretische Untersuchung der Auswirkung von ASE-Rauschen auf die Ring-Down-Gasmessung mit verstärkter Faserschleife. in Proceedings of the SPIE. 101580. (2016).

Sharma, K. et al. Vergleich der Nachweisgrenze bei faserbasierten konventionellen, verstärkten und Gain-Clamped-Resonator-Ring-Down-Techniken. Opt. Komm. 407, 186–192 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Yang, J. et al. Die Stabilität des chaotischen Korrelationsfaserschleifen-Ring-Down-Systems mit Verlustkompensation. IEEE Photon. Technol. Lette. 31(6), 471–474 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Chu, T., Wang, P. & Zhu, C. Modellierung der Ring-Down-Spektroskopie aktiver Faserschleifen unter Berücksichtigung des Verstärkungssättigungsverhaltens von EDFA. J. Lightwave Technol. 38(4), 966–973 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Chu, T., Zhu, C. & Wang, P. Modellierung der Ring-Down-Spektroskopie aktiver Faserschleifen unter Berücksichtigung nichtlinearer Effekte der EDFA-Verstärkung. IEEE Sens. J. 21(3), 3155–3162 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Ye, F., Qi, B. & Qian, L. Ring-Down-Messungen des Hohlraums mit kontinuierlicher Welle mittels frequenzverschobener Interferometrie. Opt. Lette. 36, 2080–2082 (2011).

Artikel Google Scholar

Ye, F., Zhou, C., Qi, B. & Qian, L. Kontinuierliche Hohlraum-Ring-Down-Evaneszenzfeldmessung mit einer Breitbandquelle basierend auf frequenzverschobener Interferometrie. Sens. Aktoren B Chem. 184, 150–155 (2013).

Artikel CAS Google Scholar

Silva, S., & Razo, OF Brechungsindexmessung mit einem auf Multimode-Interferenz basierenden Fasersensor in einem Cavity-Ring-Down-System. auf der 25. Internationalen Konferenz über optische Fasersensoren. (2017).

Susana, S. et al. Ring-Down-Technik mit faserbasiertem linearem Hohlraum für die Fernerkundung. IEEE Sens. Lett. 2(3), 1–4 (2018).

Google Scholar

Ou, Y. et al. Kontinuierliche Wellen-Faserhohlraum-Ringdown-Druckmessung basierend auf frequenzverschobener Interferometrie. Sensoren 18(4), 1207 (2018).

Artikel Google Scholar

Tian, ​​H., Zhou, C., Fan, D., Ou, Y. & Yin, J. Ringdown-Magnetfelderfassungsmethode mit kontinuierlicher Faserkavität basierend auf frequenzverschobener Interferometrie. Kinn. Opt. Lett 12, 120604 (2014).

Artikel Google Scholar

Ye, F., Zhang, Y., Qi, B. & Qian, L. Frequenzverschobene Interferometrie – Eine vielseitige faseroptische Sensortechnik. Sensoren 14, 10977–11000 (2014).

Artikel Google Scholar

Ghimire, M. & Wang, C. Hochempfindlicher Faserschleifen-Ringdown-Dehnungssensor mit geringer Temperaturempfindlichkeit. Mess. Wissenschaft. Technol. 28, 105101 (2017).

Artikel Google Scholar

Chen, YF, Liu, TG, Han, Q., Yan, WC & Yu, L. Ringdown-Magnetfelderfassungsmethode mit kontinuierlicher Faserkavität basierend auf frequenzverschobener Interferometrie. Photon. Res. 4(6), 322–326 (2016).

Artikel Google Scholar

Cheng, C. et al. Ring-Down-Magnetfeldsensor mit Faserschleife unter Verwendung frequenzverschobener Interferometrie und D-förmiger Faser, die mit magnetischer Flüssigkeit beschichtet ist. IEEE Magn. Lette. 12, 8100705 (2021).

Artikel Google Scholar

Wang, Q. et al. Magnetfeldmessung basierend auf Faserschleifen-Ring-Down-Spektroskopie und geätzter Faser, die mit magnetischer Flüssigkeit interagiert. Opt.Commun. 356, 628–633 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Ou, Y. et al. Mehrpunkt-Magnetfeldmessung basierend auf magnetischer Flüssigkeit und FSI-FLRD. IEEE Sens. J. 21(16), 18249–18255 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Referenzen herunterladen

National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 61805075, 61475044); Hervorragendes junges und mittleres Wissenschafts- und Technikinnovationsteam von Hochschulen und Universitäten in der Provinz Hubei (Nr. T201907).

Hubei Engineering Technology Research Center of Energy Photoelectric Device and System, Hubei University of Technology, Wuhan, 430068, China

Wenjia Chen, Yiwen Ou, Chunfu Cheng, Yuanchang Zhu, Wen Xiao & Hui Lv

School of Science, Technische Universität Hubei, Wuhan, 430068, China

Wenjia Chen, Yiwen Ou, Chunfu Cheng, Yuanchang Zhu, Wen Xiao & Hui Lv

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

YO und CC überwachten die Arbeit und konzipierten das Ziel der Forschung, WC führte alle Experimente durch, YZ und WX analysierten die Ergebnisse, YO, CC und WC erstellten einen Entwurf des Manuskripts. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Yiwen Ou.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht durch gesetzliche Vorschriften zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Chen, W., Ou, Y., Cheng, C. et al. Optischer Sensor unter Verwendung der Space-Domain-Active-Faser-Hohlraum-Ringdown-Technik. Sci Rep 12, 13369 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-17565-6

Zitat herunterladen

Eingegangen: 30. November 2021

Angenommen: 27. Juli 2022

Veröffentlicht: 04. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-17565-6

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein gemeinsam nutzbarer Link verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.