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Jan 24, 2024

Capteur optique utilisant l'espace

Scientific Reports volume 12, Numéro d'article : 13369 (2022) Citer cet article Une nouvelle technique de ringdown de cavité de fibre active (FCRD) utilisant l'interférométrie à déplacement de fréquence (FSI) est proposée pour le

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 13369 (2022) Citer cet article

Une nouvelle technique de ringdown de cavité de fibre active (FCRD) utilisant l'interférométrie à décalage de fréquence (FSI) est proposée pour la première fois. Grâce à ce schéma, les paramètres externes peuvent être surveillés dans le domaine spatial en mesurant la distance de sonnerie au lieu du temps de sonnerie. Un amplificateur bidirectionnel à fibre dopée à l'erbium (Bi-EDFA) est utilisé pour compenser la perte inhérente à la cavité afin d'obtenir une sensibilité plus élevée. Et deux filtres passe-bande sont utilisés pour réduire le bruit d'émission spontanée amplifiée (ASE) du Bi-EDFA. Par rapport au schéma FCRD actif dans le domaine temporel bien connu, notre méthode proposée nous permet d'éviter d'utiliser le laser pulsé nécessaire dans le FCRD actif dans le domaine temporel, elle utilise un laser à onde continue pour injecter dans la cavité de la fibre et stabiliser la puissance optique dans le cavité de fibre, qui peut supprimer la dérive de base du signal de sonnerie provoquée par les fluctuations de gain de l'EDFA et ainsi améliorer la précision de détection. De plus, cette nouvelle méthode nous permet d'utiliser une méthode de détection différentielle pour réduire davantage le bruit ASE, et ainsi éliminer la dérive de base du signal de sonnerie. Un capteur de champ magnétique a été développé à titre de démonstration de validation de principe. Les résultats expérimentaux démontrent que le capteur proposé avec une sensibilité de 0,01537 (1/km·Gs) a été atteint. Il s’agit de la sensibilité au champ magnétique la plus élevée par rapport à la méthode FLRD active dans le domaine temporel. En raison de la réduction du bruit ASE, la stabilité du système de détection proposé a également été grandement améliorée.

La technique de détection FCRD (Fiber Cavity Ringdown) est une méthode très sensible pour mesurer les pertes optiques1,2,3. Semblable au schéma CRD conventionnel, la perte dans la cavité peut être déterminée à partir du taux de décroissance généralement appelé temps de sonnerie du laser pulsé. Mais contrairement à la méthode CRD conventionnelle, dans laquelle la lumière rebondit entre deux miroirs, la FCRD utilise généralement une paire de coupleurs directionnels à fibre avec un rapport de division élevé pour former la cavité de fibre permettant de réaliser l'approche multi-passes. Par rapport à la cavité à miroir, une cavité à fibre présente les avantages d'être sans alignement, robustesse, faible coût et adaptée aux réseaux de capteurs multifonctions à grande échelle, ce qui a fait du FCRD un choix populaire pour de nombreuses applications telles que le gaz4. , liquide5,6, indice de réfraction7, déformation8, température9, détection de champ magnétique10 et ainsi de suite. Cependant, la cavité fibreuse présente l'inconvénient d'une grande perte inhérente à la cavité due à la perte d'insertion importante des coupleurs de fibre et des têtes de capteur, ce qui conduit à une faible sensibilité.

Afin d'améliorer la sensibilité, un moyen simple d'atteindre cet objectif consiste à réduire les pertes d'insertion des têtes de capteur, mais l'amélioration reste encore limitée. Une autre approche consiste à compenser la perte inhérente à la cavité en introduisant un amplificateur à fibre dopée à l'erbium (EDFA) dans la cavité de la fibre. Comme l'EDFA sert de source de gain, ce nouveau FCRD est généralement appelé FCRD actif dans le domaine temporel ou FCRD11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21 amplifié. En 2001, la technique FCRD active a été proposée pour la première fois par George Stewart et la sensibilité a été améliorée car la perte inhérente à la cavité peut être suffisamment compensée par l'EDFA11. Cependant, la méthode de détection active du FCRD pose également deux nouveaux problèmes. L’une d’entre elles est la fluctuation du gain de l’EDFA, qui entraîne une décroissance non exponentielle du signal de sonnerie et dégrade ainsi la précision des mesures et la stabilité à long terme20,21. Un autre est le bruit d'émission spontanée amplifiée (ASE) produit par l'EDFA, qui provoque la dérive de base du signal de sonnerie et réduit la stabilité du système de détection12,13,17. Pour minimiser l'impact de la fluctuation du gain, un EDFA à gain limité a été utilisé dans la cavité de la fibre pour réduire l'effet de fluctuation du gain, mais la fluctuation du gain existe toujours car le laser pulsé a été utilisé dans le FCRD actif dans le domaine temporel pour exciter la cavité de la fibre. et il ne peut donc pas assurer la stabilisation de la puissance dans la cavité de la fibre, de sorte que la stabilité n'était généralement que d'environ 10 %, ce qui n'était pas adapté à l'application pratique18. Heureusement, un laser chaotique a été proposé pour stabiliser la puissance du laser dans la cavité de la fibre et l'influence de la fluctuation du gain a été efficacement supprimée. Une bonne stabilité de 2,84 % a donc été obtenue récemment19. Afin d'améliorer la stabilité, un filtre adaptatif a été suggéré pour supprimer le bruit ASE12,13. Cependant, il est impossible de l'éliminer complètement et la stabilité n'est donc toujours pas suffisante.