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Jan 24, 2024

Sensor óptico usando espacio.

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 13369 (2022) Cite este artículo Se propone una nueva técnica de ringdown de cavidad de fibra activa (FCRD) que utiliza interferometría de frecuencia desplazada (FSI) para

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 13369 (2022) Citar este artículo

Se propone por primera vez una nueva técnica de ringdown de cavidad de fibra activa (FCRD) que utiliza interferometría de frecuencia desplazada (FSI). Usando este esquema, los parámetros externos se pueden monitorear en el dominio espacial midiendo la distancia de llamada en lugar del tiempo de llamada. Se emplea un amplificador de fibra bidireccional dopado con erbio (Bi-EDFA) para compensar la pérdida inherente de la cavidad y lograr una mayor sensibilidad. Y se utilizan dos filtros de paso de banda para reducir el ruido de emisión espontánea amplificada (ASE) del Bi-EDFA. En comparación con el conocido esquema FCRD activo en el dominio del tiempo, nuestro método propuesto nos permite evitar el uso del láser pulsado necesario en el FCRD activo en el dominio del tiempo, utiliza un láser de onda continua para inyectar en la cavidad de la fibra y estabilizar la potencia óptica en el Cavidad de fibra, que puede suprimir la deriva de la línea base de la señal de llamada causada por las fluctuaciones de ganancia del EDFA y así mejorar la precisión de detección. Además, este novedoso método nos permite utilizar un método de detección diferencial para reducir aún más el ruido ASE y eliminar así la deriva de la línea base de la señal de llamada. Se desarrolló un sensor de campo magnético como demostración de prueba de concepto. Los resultados experimentales demuestran que se logró el sensor propuesto con una sensibilidad de 0,01537 (1/km·Gs). Esta es la sensibilidad de campo magnético más alta en comparación con el método FLRD activo en el dominio del tiempo. Debido a la reducción del ruido ASE, la estabilidad del sistema de detección propuesto también mejoró enormemente.

La técnica de detección de anillo de cavidad de fibra (FCRD) es un método altamente sensible para medir las pérdidas ópticas1,2,3. De manera similar al esquema CRD convencional, la pérdida de cavidad se puede determinar a partir de la tasa de caída, generalmente llamada tiempo de anulación del láser pulsado. Pero a diferencia del método CRD convencional, en el que la luz rebota hacia adelante y hacia atrás entre dos espejos, el FCRD generalmente utiliza un par de acopladores direccionales de fibra con una alta relación de división para formar la cavidad de fibra para lograr el enfoque de múltiples pasadas. En comparación con la cavidad basada en espejos, una cavidad de fibra tiene las ventajas de no tener alineación, ser robusta, de bajo costo y adecuada para redes de sensores multifunción a gran escala, lo que ha hecho que FCRD se convierta en una opción popular para muchas aplicaciones como gas4 , líquido5,6, índice de refracción7, tensión8, temperatura9, detección de campo magnético10, etc. Sin embargo, la cavidad de la fibra tiene el inconveniente de la gran pérdida de cavidad inherente debido a la gran pérdida de inserción de los acopladores de fibra y los cabezales de los sensores, lo que conduce a una sensibilidad deficiente.

Para mejorar la sensibilidad, una forma sencilla de lograr este objetivo es reducir las pérdidas de inserción de los cabezales del sensor, pero la mejora aún es limitada. Otro enfoque es compensar la pérdida inherente de la cavidad introduciendo un amplificador de fibra dopada con erbio (EDFA) en la cavidad de la fibra. Como el EDFA sirve como fuente de ganancia, este nuevo FCRD generalmente se denomina FCRD activo en el dominio del tiempo o FCRD amplificado11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21. En 2001, George Stewart propuso por primera vez la técnica FCRD activa y se mejoró la sensibilidad porque la pérdida inherente de cavidad puede compensarse suficientemente con el EDFA11. Sin embargo, el método de detección activa FCRD también plantea dos nuevos problemas. Una es la fluctuación de ganancia del EDFA, que da como resultado una caída no exponencial de la señal de llamada y, por lo tanto, degrada la precisión de la medición y la estabilidad a largo plazo20,21. Otro es el ruido de emisión espontánea amplificada (ASE) producido por EDFA, que provoca la deriva de la línea base de la señal de llamada y reduce la estabilidad del sistema de detección12,13,17. Para minimizar el impacto de la fluctuación de ganancia, se usó un EDFA con ganancia fijada en la cavidad de la fibra para reducir el efecto de fluctuación de ganancia14,16, pero la fluctuación de ganancia aún existe porque el láser pulsado se usó en FCRD activo en el dominio del tiempo para excitar la cavidad de la fibra. y por lo tanto no puede proporcionar estabilización de potencia en la cavidad de la fibra, por lo que la estabilidad generalmente era solo de alrededor del 10%, lo que no era adecuado para la aplicación práctica18. Afortunadamente, se propuso un láser caótico para estabilizar la potencia del láser en la cavidad de la fibra y se suprimió eficazmente la influencia de la fluctuación de ganancia, por lo que recientemente se logró una buena estabilidad del 2,84%19. Para mejorar la estabilidad, se sugirió un filtro adaptativo para suprimir el ruido ASE12,13; sin embargo, es imposible eliminarlo por completo y, por lo tanto, la estabilidad aún no era suficiente.

El método FCRD convencional pertenece a la técnica de detección en el dominio del tiempo porque generalmente utiliza un láser pulsado para excitar la cavidad de la fibra y mide su tasa de caída (tiempo de respuesta) en el dominio del tiempo. Como este esquema se basa en el uso de un costoso láser pulsado, un detector rápido y una tarjeta de adquisición rápida de datos (DAQ), genera altos costos de instrumentos y limita sus aplicaciones. Para resolver los problemas anteriores planteados por el esquema FCRD convencional, se propuso una técnica FCRD pasiva en el dominio espacial basada en interferometría de frecuencia desplazada (FSI), que generalmente se denomina FSI-FCRD22,23. Este novedoso esquema no se basa en ninguna medición en el dominio del tiempo de un láser pulsado en decadencia. En cambio, es capaz de deducir la información de pérdida de cavidad midiendo la distancia hacia abajo. En comparación con el método FCRD convencional, este nuevo esquema fue más rentable porque utiliza un láser de onda continua (CW) de bajo costo y un detector lento sin la necesidad de un costoso láser pulsado y electrónica rápida. Debido a sus excelentes características, como el bajo costo y la alta estabilidad, la técnica FCRD pasiva en el dominio espacial ha atraído cada vez más interés y se ha utilizado ampliamente para muchas aplicaciones de detección, como la detección de deformación25, la detección del índice de refracción24, la detección de campos magnéticos27, etc. en. Sin embargo, tiene el mismo problema de gran pérdida de cavidad inherente que el método de detección pasiva FCRD en el dominio del tiempo, lo que limita la sensibilidad del sistema de detección. Para cumplir con los requisitos de muchas aplicaciones prácticas de alta sensibilidad, se requiere urgentemente desarrollar un FCRD activo en el dominio espacial. Sin embargo, hasta donde sabemos, aún no se ha informado.

En este artículo, propusimos por primera vez la técnica FCRD activa en el dominio espacial y llevamos a cabo con éxito experimentos de prueba de concepto para medir el campo magnético. Los resultados experimentales muestran que este novedoso esquema no sólo puede aumentar significativamente la sensibilidad, sino que también es capaz de mejorar la estabilidad del sistema de detección debido a la reducción de la deriva de la línea base de la señal de llamada causada por la fluctuación de ganancia al usar una fuente CW para estabilizar la señal. potencia del láser en la cavidad de la fibra. Es fundamentalmente diferente de la técnica FCRD activa en el dominio del tiempo, ya que esta última requiere un láser pulsado para inyectar la cavidad de la fibra y, por lo tanto, se genera una gran fluctuación de ganancia. Este documento está organizado como se muestra a continuación. En “Principio”, presentamos el principio del FCRD activo en el dominio espacial. En "Configuración experimental" y "Resultados y discusión", mostramos respectivamente la configuración experimental y los resultados experimentales del sistema de detección de campo magnético FCRD activo en el dominio espacial. La última sección es un breve resumen.

El diagrama esquemático del sistema de detección FCRD activo en el dominio espacial se muestra en la Fig. 1. En la Fig. 1 podemos ver que un bucle de interferencia de Sagnac, con un desplazador de frecuencia incorporado asimétricamente, constituye un interferómetro de frecuencia desplazada28. Una cavidad de fibra activa está compuesta por dos acopladores de fibra (C1 y C2) con altos índices de división, un cabezal sensor (SH), un amplificador de fibra bidireccional dopado con erbio (Bi-EDFA), que se inserta en el interferómetro de frecuencia desplazada para forman el sistema de detección FCRD activo en el dominio espacial. El principio de funcionamiento del sistema de detección FCRD activo en el dominio espacial se puede describir de la siguiente manera. La luz CW generada por el láser semiconductor sintonizable (TSL) se acopla al interferómetro de frecuencia desplazada a través del circulador (Cir) y el acoplador de fibra C0. Produce dos haces de luz que circulan por la cavidad de la fibra en direcciones de contrapropagación. Se incorpora un Bi-EDFA como se muestra en la Fig. 1 en la cavidad de la fibra para amplificar la intensidad de los dos haces de luz en la cavidad. En consecuencia, compensa la pérdida inherente de la cavidad, el tiempo de interacción luz-muestra se prolonga y los dos haces de luz se atenúan más lentamente. Pequeñas cantidades de haces de luz se escapan de la cavidad de la fibra y se encuentran en el acoplador C0, después de completar cada recorrido de ida y vuelta en la cavidad. La interferencia se produce entre los dos haces de luz que se propagan en contra y que salen de la cavidad de la fibra después de realizar el mismo número de viajes de ida y vuelta. Si se barre un rango de frecuencia de Δf desde una frecuencia inicial f0 durante una duración de tsw, la señal de interferencia diferencial en el detector balanceado (BD) será una función sinusoidal del tiempo t22,23.

donde n es el índice de refracción de la fibra monomodo, L es la longitud de la cavidad de la fibra, L0 es una constante, f es el cambio de frecuencia generado por el variador de frecuencia, c es la velocidad de propagación de la luz en el vacío, φ0m es una fase inicial fija sin consecuencias para nuestro cálculo, Fm = n(mL + L0)Δf/(ctsw) (m = 0, 1, 2, …) es la frecuencia de oscilación que tiene una relación lineal con el número de ida y vuelta m22. Como c es muy grande, el sistema de detección puede funcionar bajo la frecuencia de oscilación baja Fm, es decir, se logra una detección lenta usando FSI y, por lo tanto, se reduce el costo. Im es la intensidad de la luz de interferencia después de m ida y vuelta:

donde I0 es la intensidad inicial, l = mL es la distancia recorrida por la luz en la cavidad de la fibra y \(\alpha_{0}\) es la pérdida neta de la cavidad, que contiene la pérdida total de transmisión de la fibra \(\alpha_{ c}\) y la ganancia G del Bi-EDFA en la cavidad de la fibra, y puede venir dada por:

donde \(\alpha_{AR}\) representa la pérdida por absorción de la fibra, \(\alpha_{ST}\) es la pérdida por dispersión de la fibra, \(\alpha_{FS}\) es la pérdida por fusión de la fibra y \(\ alfa_{IR}\) es la pérdida de inserción de los componentes, incluidos los dos acopladores de fibra, el controlador de polarización y el cabezal del sensor (SH). \(\alpha_{c} { = }\alpha_{AR} { + }\alpha_{IR} { + }\alpha_{ST} + \alpha_{FS}\) representa la pérdida inherente de la cavidad, que es mayor que la pérdida neta de cavidad \(\alpha_{0}\).

Diagrama esquemático del sistema de detección FCRD activo en el dominio espacial. Láser semiconductor sintonizable TSL; Aislador ISO, circulador Cir, acoplador de fibra C0 de 3 dB, acopladores de fibra de alta relación de división C1 y C2, controladores de polarización PC1 y PC2, cabezal sensor SH, amplificador de fibra bidireccional dopado con erbio Bi-EDFA, modulador acústico-óptico AOM, BD balanceado detector, tarjeta de adquisición de datos DAQ.

Como se puede ver en las Ecs. (1)–(3), Im es una función de caída exponencial de la distancia de propagación l, mientras que Fm es una función lineal de l según la relación l = mL. Por lo tanto, al barrer linealmente el cambio de frecuencia f y aplicar la transformada rápida de Fourier (FFT) a ΔI, se puede obtener el espectro de Fourier de ΔI que muestra una serie de picos que decaen exponencialmente ubicados en Fm. Después de convertir la frecuencia Fm a la distancia de propagación l' usando la fórmula l' = l + L0 = cFm/n, el espectro de Fourier de ΔI se convertirá en un transitorio de timbre como distancia de propagación22,23, lo que indica que nuestro método propuesto pertenece a un Técnica FCRD de dominio espacial realizada mediante el uso del esquema FSI. La distancia requerida para que la intensidad de la luz disminuya a 1/e de la intensidad de la luz inicial se puede definir como la distancia de llamada, que es análoga al tiempo de llamada1. Cuando no se aplica ninguna acción externa sobre el SH, la distancia de ringdown \(\Lambda_{0}\) se puede escribir como:

Cuando se aplica una acción externa P (campo magnético, presión, tensión, etc.) sobre el SH, se produce una pérdida adicional \(\alpha_{s}\), lo que da como resultado un cambio en la distancia del anillo. En este caso, la distancia de timbre \(\Lambda\) se puede reescribir como:

donde \(\alpha_{s} = \xi l_{s} P\), \(\xi\) es el coeficiente de absorción inducido por acción externa26, y \(l_{s}\) es la longitud del SH . Combinando la ecuación. (4) con la ecuación. (5), tenemos:

Obviamente, el parámetro externo se determina midiendo las distancias de anillo \(\Lambda\) (con la acción externa aplicada) y \(\Lambda_{0}\)(sin la acción externa aplicada), y la diferencia recíproca (\( 1/\Lambda - 1/\Lambda_{0}\)) de la distancia de llamada cambia linealmente con el cambio de la acción externa, para un sensor FCRD activo en el dominio espacial determinado. La pendiente \(k{ = }\xi l_{s} /L\) representa la sensibilidad del sensor a la actividad de detección, que se puede adaptar ajustando la longitud de SH y la longitud de la cavidad. Además, el límite de detección también es un indicador importante del rendimiento del sistema, que se define como el parámetro externo mínimo detectable Pmin. Se puede obtener derivando ambos lados de la ecuación. (6)

donde \(N_{e} = \Lambda_{0} /L\) es el número efectivo de viajes de ida y vuelta recorridos por la luz dentro de la distancia de llamada \(\Lambda_{0}\), que esencialmente representa las múltiples rondas de interacción en El sh. Por lo tanto, en comparación con el límite de detección de un sensor de fibra óptica basado en intensidad, nuestro sensor propuesto mejorará el límite de detección en un factor de Ne. \(\delta \Lambda\) y \(\overline{\Lambda }\) denotan la desviación estándar y el valor promedio de la distancia de ringdown bajo la condición de que no se aplique ninguna acción externa sobre el SH, respectivamente. La relación \(\delta \Lambda /\overline{\Lambda }\) se puede definir como la estabilidad del sistema de detección propuesto, que es similar a la definición de estabilidad en el sistema de detección FCRD en el dominio del tiempo1. La ecuación (7) indica que se puede esperar un límite de detección alto con una buena estabilidad, lo cual es muy importante para la aplicación práctica. Como la ganancia de Bi-EDFA puede disminuir la pérdida de cavidad y prolongar la distancia de llamada, la técnica FCRD activa en el dominio espacial tendrá un número circulante efectivo mayor y, por lo tanto, dará como resultado una sensibilidad y un límite de detección más altos. Sin embargo, una mayor sensibilidad suele dar como resultado un rango dinámico más pequeño, y viceversa29. Es decir, deben comprometerse según los requisitos de las aplicaciones prácticas.

Para verificar la viabilidad de nuestro concepto propuesto, se construyó un sistema de detección FCRD activo en el dominio espacial para la medición del campo magnético como se muestra en la Fig. 2. Se empleó un láser semiconductor sintonizable (TSL, Santec TSL-550) para generar luz CW. . Durante los experimentos de detección del campo magnético, la potencia de salida del TSL se fijó en 9 mW a 1530,37 nm. Un modulador acústico-óptico (AOM, Brimrose, AMM-100-20-25-1550-2FP) sirvió como desplazador de frecuencia, y su frecuencia de barrido se configuró para aumentar de 90 a 110 MHz con pasos de 0,02 MHz y períodos de exploración de frecuencia. de 1 s. Dos acopladores de fibra con una relación de división de 99,5:0,5 constituyeron la cavidad de fibra con una longitud de ~ 130 m. Se utilizaron dos controladores de polarización (PC1 y PC2) para optimizar el estado de polarización de la luz CW para obtener la franja de interferencia visible. La señal de interferencia diferencial fue detectada por el detector balanceado (BD, New Focus Model 2117) y luego registrada por una tarjeta de adquisición de datos (DAQ, NI USB-6361) a una velocidad de muestreo de 100 kS/s. Tenga en cuenta que esta velocidad de detección es mucho más lenta que la del sistema de detección FCRD convencional en el dominio del tiempo1,16. Luego, la señal recopilada se transmitió a la computadora de escritorio y fue procesada por un programa Labview en tiempo real.

La configuración experimental del sistema de detección de campo magnético FCRD activo en el dominio espacial.

Como demostración de principio, introdujimos la pérdida de cavidad inducida por el campo magnético y se utilizó una fibra pulida lateralmente (SPF) recubierta con fluido magnético (MF) como SH (ver Fig. 3a, b) para el campo magnético. detección de campo. El SPF (Micro photons Technology Co., NIR-SPF-W1550-2) se fabricó puliendo lateralmente el revestimiento de una fibra monomodo a 5-6 μm del núcleo, lo que mejoró significativamente el efecto del campo evanescente en el área pulida. con una longitud de 17 mm. En comparación con las fibras cónicas, el SPF tiene una mayor resistencia mecánica porque el otro lado de la fibra está intacto. Además, el método de fabricación no requiere trenzas ni intrusión en el núcleo de la fibra, lo que produce una estructura robusta. Luego se encapsuló el SPF en una caja de plexiglás llena con MF (ferrofluido a base de agua, EMG-603P, Ferrotec (USA) Corp.). El MF era un ferrofluido estable a base de agua con Fe3O4 como nanopartículas magnéticas. Debido a la aglomeración de partículas de Fe3O4 y la formación de una estructura de cadena larga paralela a la dirección del campo magnético28, el índice de refracción y el coeficiente de absorción de MF cambiarán con el cambio de la intensidad del campo magnético ambiental. Cuando se aplicó el campo magnético en el SH propuesto, surgirá una pérdida de cavidad inducida por el campo magnético, lo que resulta en el cambio de la distancia de anillo. En consecuencia, el campo magnético aplicado se puede medir monitorizando el cambio en la distancia de recepción. Los dos pequeños agujeros en la parte superior de la caja de plexiglás estaban llenos de parafina para evitar que el MF invadiera la caja. Un dispositivo generador de campo magnético de fabricación propia creó el campo magnético en los experimentos, que estaba compuesto por dos núcleos cuadrados de hierro enrollados firmemente con alambre de cobre y alimentados por una fuente de alimentación de corriente continua (CC) regulada digitalmente. La dirección del campo magnético era perpendicular a la dirección de propagación de la luz CW en la cavidad de la fibra. Para medir el campo magnético se utilizó un gaussímetro (Pafei Hangzhou, BST-801) como punto de referencia.

(a) Diagrama esquemático del cabezal del sensor de campo magnético; (b) vista física del cabezal del sensor de campo magnético.

Vale la pena señalar que el EMG-603P MF utilizado aquí no se diluyó con agua destilada como en nuestro trabajo reciente31. De todos modos, el evento de ringdown en el dominio espacial no se pudo observar antes de conectar el Bi-EDFA dentro de la cavidad de la fibra, lo que indica que una alta concentración de MF provoca una gran pérdida en la cavidad. Sin embargo, después de que se utilizó un Bi-EDFA personalizado (Tianjin Junfeng Technology Co., EDFA-WDM-C-MB) para realizar la amplificación bidireccional de la intensidad de la luz CW, el transitorio de timbre en el dominio espacial se pudo observar inmediatamente. Experimentalmente revela que el Bi-EDFA puede compensar la pérdida de cavidad y prolongar la distancia hacia abajo. Se encapsularon dos filtros de paso de banda en el Bi-EDFA para filtrar el ruido ASE, cada uno con una longitud de onda operativa central de 1.530,33 nm y un ancho de banda de 3 dB de 0,8 nm. La corriente de bomba del Bi-EDFA se ajustó a 135 mA durante los experimentos.

En la Fig. 4a se muestra una señal de interferencia diferencial típica cuando no se aplicó ningún campo magnético externo en el SH, y la forma de onda de timbre correspondiente en el dominio espacial (ver Fig. 4b) se obtuvo después de tomar FFT de la señal de interferencia diferencial. Los picos de la señal de llamada se pueden extraer aplicando un algoritmo de extracción de picos. Al ajustar estos picos con una función exponencial (EXP), se obtuvo una curva de caída exponencial. Luego, la distancia de descenso se calculó en 1.028 m según su definición, y la longitud de la cavidad fue de ~ 129 m calculando el intervalo de espacio promedio entre dos picos adyacentes. Según la ecuación. (4) Se puede deducir que la pérdida neta en la cavidad es de 0,548 dB en ausencia de un campo magnético externo.

Las señales típicas medidas por la técnica FCRD activa en el dominio espacial. a) la señal de interferencia diferencial en el dominio del tiempo; (b) el transitorio de llamada correspondiente en el dominio espacial.

Para caracterizar la respuesta del sistema de detección propuesto al campo magnético y evaluar su sensibilidad, se aplicaron campos magnéticos en el rango de 0 a 170 Gs en el SH y se midieron las señales de llamada. Los resultados obtenidos se ilustran en la Fig. 5a. Al utilizar el algoritmo de extracción de picos y el algoritmo de ajuste EXP, las curvas de caída exponencial obtenidas bajo diferentes intensidades de campo magnético se representan en la Fig. 5b. A medida que aumenta la intensidad del campo magnético, la atenuación de la señal de llamada se vuelve más rápida, lo que muestra que la distancia de llamada disminuye con el aumento de la intensidad del campo magnético. Esto se debe a que: cuando no se aplica ningún campo magnético, las nanopartículas magnéticas se distribuyen uniformemente en el líquido portador; mientras que cuando se aplica el campo magnético, las nanopartículas magnéticas se agrupan gradualmente a lo largo de la dirección del campo magnético. A medida que aumenta la intensidad del campo magnético, cada vez más nanopartículas magnéticas se organizan en estructuras de cadena corta y cadena larga, lo que provoca un aumento en el índice de refracción del MF30. Como resultado, se escapan más ondas evanescentes del SPF, la pérdida de cavidad aumenta y, por lo tanto, la distancia hacia abajo disminuye. Este resultado también se puede observar claramente en la Fig. 6, en la que la medición se repitió 30 veces bajo cada intensidad de campo magnético para reducir los errores de medición. Según los cálculos, la distancia promedio de llegada medida por el sistema de detección se redujo de 1017 m a 313 m. Para demostrar claramente las características de respuesta de nuestro sistema de detección propuesto, se trazó la relación entre la diferencia recíproca de la distancia de llamada (1/Ʌ − 1/Ʌ0) y la intensidad del campo magnético H como se muestra en la Fig. 7. Como la intensidad del campo magnético aumenta, la diferencia recíproca de la distancia de llamada aumenta gradualmente. Mediante ajuste lineal, se puede encontrar que, en el rango de 70 a 150 Gs de intensidad de campo magnético, el grado de ajuste lineal R cuadrado alcanza 0,9530. Indica que el sistema sensor tiene una buena respuesta lineal, lo que también concuerda con el resultado teórico descrito en la ecuación. (6). Otras regiones muestran una tendencia de cambio no lineal, causada principalmente por la magnetización inicial del fluido magnético10, y cuando la intensidad del campo magnético aplicado excedió los 150 Gs, la pérdida excesiva de la cavidad inducida por el campo magnético resultó en una medición infiel e incluso la desaparición del señal de llamada. Se aplicó el ajuste polinómico a todos los puntos de datos y se obtuvo una curva no lineal con un buen R cuadrado de 0,9891. Indica que el rango de medición del esquema propuesto puede ser igual o mayor a 170 Gs. Aunque el rango de respuesta lineal es limitado, se esperaría una alta sensibilidad ya que un rango de medición más pequeño generalmente da como resultado una sensibilidad mayor. La pendiente ajustada es 0,01537, lo que representa que la sensibilidad del sistema de detección es 1,537 × 10–2 (1/km·Gs). Convirtiendo el cambio de tiempo/distancia de llamada en función de la intensidad del campo magnético.

Las señales típicas medidas por la técnica FCRD activa en el dominio espacial. a) la señal de interferencia diferencial en el dominio del tiempo; (b) el transitorio de llamada correspondiente en el dominio espacial.

Distancia de ringdown versus intensidad del campo magnético.

Diferencia recíproca de distancia de llamada.

en el cambio de pérdida de cavidad para mantener las unidades iguales, se puede encontrar que las sensibilidades de los sensores de campo magnético FCRD pasivos en el dominio del tiempo reportados en 29, el sistema de detección de campos magnéticos FCRD activo en el dominio del tiempo 30 y el campo magnético FCRD pasivo en el dominio espacial sistema de detección27 fueron todos más bajos que la sensibilidad de nuestro sistema de detección propuesto como se muestra en la Tabla 1. Obviamente, la sensibilidad del sistema de detección activo en el dominio espacial se puede mejorar aún más aumentando la ganancia de Bi-EDFA, pero una ganancia grande traerá una mayor ruido ASE, lo que deteriorará la estabilidad del sistema de detección. Además, según la Ec. (6) la sensibilidad también se puede mejorar aún más aumentando la longitud del SH, pero el rango de medición se verá comprometido. Por lo tanto, la sensibilidad y el rango de medición del sistema de detección propuesto deben adaptarse de acuerdo con los requisitos de rendimiento específicos de las aplicaciones prácticas.

Finalmente, también se probó la estabilidad del sistema de detección. La distancia de ringdown se midió repetidamente cien veces cuando no se aplicó ningún campo magnético en el SH, y los resultados se demostraron en la Fig. 8. La distancia de ringdown media obtenida fue de 1019 m y la desviación estándar fue de 8,1 m. Según la definición de estabilidad en el “Principio”, se obtuvo una estabilidad del 0,79%, que es mucho mejor que la del sistema de detección FCRD activo en el dominio del tiempo con una estabilidad de alrededor del 10%1,13,18 y también mejor que eso. del sistema de detección FCRD de correlación caótica con una estabilidad del 0,846% mediante el uso de láser caótico en lugar de láser pulsado para suprimir eficazmente las fluctuaciones de ganancia de EDFA19. La mejor estabilidad del sistema de sensor propuesto se atribuye al uso de una fuente de luz CW para garantizar la estabilidad de potencia en la cavidad de la fibra para suprimir la deriva de la línea base de la señal de llamada causada por las fluctuaciones de ganancia del Bi-EDFA, el uso de diferencial. detección para eliminar el ruido de CC y la esencia de la interferencia de ruta común para cancelar el ruido de modo común. Según la ecuación. (7), el límite de detección calculado del sistema de detección propuesto fue 0,504 Gs, que es mejor que el del sensor de campo magnético basado en FCRD informado en 31,32,33. Además, se calculó que el número efectivo de ida y vuelta Ne era aproximadamente 8, lo que significa 8 rondas de interacción en el SH. En otras palabras, el límite de detección es aproximadamente ocho veces mayor que el de los sensores convencionales basados ​​en intensidad.

Resultados de la medición de estabilidad del sistema de detección propuesto.

En este artículo, se propuso en primer lugar una técnica de detección FCRD activa en el dominio espacial mediante la introducción del Bi-EDFA para compensar la pérdida inherente de la cavidad, y se realizaron experimentos de detección de campo magnético para verificar el concepto. En comparación con el esquema FCRD activo en el dominio del tiempo convencional, este novedoso método no necesita un láser pulsado ni un detector rápido, lo que reduce el costo del sistema. Utiliza un láser CW para estabilizar la potencia del láser en la cavidad de la fibra y, por lo tanto, suprimir de manera efectiva la deriva de la línea de base de la señal de llamada causada por las fluctuaciones de ganancia del Bi-EDFA, ofreciendo una buena estabilidad para el sistema de detección. También utiliza diferentes métodos de detección para obtener una alta relación señal-ruido y, por lo tanto, se mejora aún más la estabilidad del sistema de detección. En los experimentos de detección de campo magnético, hemos logrado una alta sensibilidad de 1,537 × 10–2 (1/km·Gs) y una buena estabilidad del 0,79%, las cuales son mejores que las de la detección de campo magnético FCRD activa en el dominio del tiempo. sistemas. Los resultados muestran que el método propuesto es rentable y adecuado para muchas aplicaciones prácticas donde se requiere alta sensibilidad y buena estabilidad.

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Centro de investigación de tecnología de ingeniería de sistemas y dispositivos fotoeléctricos de energía de Hubei, Universidad Tecnológica de Hubei, Wuhan, 430068, China

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

Facultad de Ciencias, Universidad Tecnológica de Hubei, Wuhan, 430068, China

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

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YO y CC supervisaron el trabajo y concibieron el objetivo de la investigación, WC realizó todos los experimentos, YZ y WX analizaron los resultados, YO, CC y WC prepararon un borrador del manuscrito. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Yiwen Ou.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Chen, W., Ou, Y., Cheng, C. et al. Sensor óptico que utiliza la técnica de ringdown de cavidad de fibra activa en dominio espacial. Informe científico 12, 13369 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-17565-6

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Recibido: 30 de noviembre de 2021

Aceptado: 27 de julio de 2022

Publicado: 04 de agosto de 2022

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

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