Εφαρμογή Fiber Random Laser σε Κατανεμημένη Αίσθηση

Το 2013, προτάθηκε και επαληθεύτηκε με πειράματα μια νέα ιδέα DRA που βασίζεται σε αντλία DFB-RFL υψηλής τεχνολογίας. Λόγω της μοναδικής δομής ημι-ανοιχτής κοιλότητας του DFB-RFL, ο μηχανισμός ανάδρασής του βασίζεται μόνο στη σκέδαση Rayleigh που κατανέμεται τυχαία στην ίνα. Η φασματική δομή και η ισχύς εξόδου του τυχαίου λέιζερ υψηλής τάξης που παράγεται παρουσιάζουν εξαιρετική έλλειψη ευαισθησίας στη θερμοκρασία, έτσι ώστε το DFB-RFL υψηλής τεχνολογίας να μπορεί να σχηματίσει μια πολύ σταθερή, πλήρως κατανεμημένη πηγή αντλίας χαμηλού θορύβου. Το πείραμα που φαίνεται στο Σχήμα 13(α) επαληθεύει την έννοια της κατανεμημένης ενίσχυσης Raman με βάση το DFB-RFL υψηλής τάξης και το Σχήμα 13(β) δείχνει την κατανομή κέρδους στη διαφανή κατάσταση μετάδοσης υπό διαφορετικές ισχύς αντλίας. Μπορεί να φανεί από τη σύγκριση ότι η αμφίδρομη άντληση δεύτερης τάξης είναι η καλύτερη, με επίπεδο απολαβής 2,5 dB, ακολουθούμενη από αντίστροφη τυχαία άντληση λέιζερ δεύτερης τάξης (3,8 dB), ενώ η τυχαία άντληση λέιζερ προς τα εμπρός είναι κοντά στην πρώτης τάξης αμφίδρομη άντληση, αντίστοιχα Στα 5,5 dB και 4,9 dB, η αντίστροφη απόδοση άντλησης DFB-RFL είναι χαμηλότερη μέση κέρδος και διακύμανση απολαβής. Ταυτόχρονα, το πραγματικό ποσοστό θορύβου της μπροστινής αντλίας DFB-RFL στο διαφανές παράθυρο μετάδοσης σε αυτό το πείραμα είναι 2,3 dB χαμηλότερο από αυτό της αμφίδρομης αντλίας πρώτης τάξης και 1,3 dB χαμηλότερο από αυτό της αμφίδρομης αντλίας δεύτερης τάξης . Σε σύγκριση με το συμβατικό DRA, αυτή η λύση έχει προφανή ολοκληρωμένα πλεονεκτήματα στην καταστολή της μεταφοράς θορύβου σχετικής έντασης και στην πραγματοποίηση ισορροπημένης μετάδοσης/ανίχνευσης πλήρους εύρους, και το τυχαίο λέιζερ δεν είναι ευαίσθητο στη θερμοκρασία και έχει καλή σταθερότητα. Ως εκ τούτου, το DRA που βασίζεται σε DFB-RFL υψηλής τεχνολογίας μπορεί να είναι Παρέχει χαμηλού θορύβου και σταθερή κατανεμημένη ισορροπημένη ενίσχυση για μετάδοση/ανίχνευση οπτικών ινών σε μεγάλες αποστάσεις και έχει τη δυνατότητα να πραγματοποιήσει μετάδοση και ανίχνευση χωρίς ρελέ σε εξαιρετικά μεγάλες αποστάσεις .

Το Distributed Fiber Sensing (DFS), ως σημαντικός κλάδος στον τομέα της τεχνολογίας ανίχνευσης οπτικών ινών, έχει τα ακόλουθα εξαιρετικά πλεονεκτήματα: Η ίδια η οπτική ίνα είναι ένας αισθητήρας που ενσωματώνει την αίσθηση και τη μετάδοση. μπορεί να ανιχνεύει συνεχώς τη θερμοκρασία κάθε σημείου στη διαδρομή οπτικής ίνας. Μία μόνο οπτική ίνα μπορεί να λάβει έως και εκατοντάδες χιλιάδες σημεία πληροφοριών αισθητήρων, τα οποία μπορούν να σχηματίσουν το δίκτυο αισθητήρων με τη μεγαλύτερη απόσταση και τη μεγαλύτερη χωρητικότητα αυτή τη στιγμή. Η τεχνολογία DFS έχει ευρείες προοπτικές εφαρμογής στον τομέα της παρακολούθησης της ασφάλειας μεγάλων εγκαταστάσεων που σχετίζονται με την εθνική οικονομία και τη διαβίωση των ανθρώπων, όπως καλώδια μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, αγωγοί πετρελαίου και φυσικού αερίου, σιδηρόδρομοι υψηλής ταχύτητας, γέφυρες και σήραγγες. Ωστόσο, για την υλοποίηση DFS με μεγάλη απόσταση, υψηλή χωρική ανάλυση και ακρίβεια μέτρησης, εξακολουθούν να υπάρχουν προκλήσεις όπως περιοχές μεγάλης κλίμακας χαμηλής ακρίβειας που προκαλούνται από απώλεια ινών, φασματική διεύρυνση που προκαλείται από μη γραμμικότητα και σφάλματα συστήματος που προκαλούνται από μη εντοπισμό.
Η τεχνολογία DRA που βασίζεται σε DFB-RFL υψηλής τεχνολογίας έχει μοναδικές ιδιότητες όπως επίπεδη απολαβή, χαμηλό θόρυβο και καλή σταθερότητα και μπορεί να παίξει σημαντικό ρόλο σε εφαρμογές DFS. Πρώτον, εφαρμόζεται στο BOTDA για τη μέτρηση της θερμοκρασίας ή της καταπόνησης που εφαρμόζεται στην οπτική ίνα. Η πειραματική συσκευή φαίνεται στο Σχήμα 14(α), όπου χρησιμοποιείται μια υβριδική μέθοδος άντλησης ενός τυχαίου λέιζερ δεύτερης τάξης και ενός LD χαμηλού θορύβου πρώτης τάξης. Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι το σύστημα BOTDA με μήκος 154,4 km έχει χωρική ανάλυση 5 m και ακρίβεια θερμοκρασίας ± 1,4 º, όπως φαίνεται στο Σχήμα 14(β) και (γ). Επιπλέον, η τεχνολογία DFB-RFL DRA υψηλής τεχνολογίας εφαρμόστηκε για την αύξηση της απόστασης ανίχνευσης ενός ανακλασόμετρου οπτικού πεδίου χρόνου (Φ-OTDR) με ευαισθησία φάσης για ανίχνευση κραδασμών/διαταραχών, επιτυγχάνοντας απόσταση ανίχνευσης ρεκόρ 175 km 25 m. χωρική ανάλυση. Το 2019, μέσω της ανάμειξης της πρόσθιας δεύτερης τάξης RFLA και της αντίστροφης τρίτης τάξης τυχαίας ενίσχυσης λέιζερ ινών, οι FU Y et al. επέκτεινε την εμβέλεια ανίχνευσης του BOTDA χωρίς επαναλήπτη στα 175 km. Από όσο γνωρίζουμε, αυτό το σύστημα έχει αναφερθεί μέχρι στιγμής. Η μεγαλύτερη απόσταση και ο υψηλότερος παράγοντας ποιότητας (Figure of Merit, FoM) της BOTDA χωρίς επαναλήπτη. Αυτή είναι η πρώτη φορά που εφαρμόζεται τυχαία ενίσχυση λέιζερ τρίτης τάξης σε ένα κατανεμημένο σύστημα ανίχνευσης οπτικών ινών. Η υλοποίηση αυτού του συστήματος επιβεβαιώνει ότι η τυχαία ενίσχυση λέιζερ υψηλής τάξης μπορεί να παρέχει υψηλή και επίπεδη κατανομή κέρδους και έχει ένα ανεκτό επίπεδο θορύβου.