Üçün lazer mənbəyi texnologiyasıoptik lifHissiyat Birinci hissə
Optik lif algılama texnologiyası, optik lif texnologiyası və optik lif rabitə texnologiyası ilə birlikdə inkişaf etdirilən bir növ sensor texnologiyasıdır və fotoelektrik texnologiyanın ən aktiv sahələrindən birinə çevrilmişdir. Optik lif algılama sistemi əsasən lazer, ötürmə lifi, sensor element və ya modulyasiya sahəsi, işığın aşkarlanması və digər hissələrdən ibarətdir. İşıq dalğasının xüsusiyyətlərini təsvir edən parametrlərə intensivlik, dalğa uzunluğu, faza, qütbləşmə vəziyyəti və s. daxildir. Bu parametrlər optik lif ötürülməsində xarici təsirlərlə dəyişdirilə bilər. Məsələn, temperatur, deformasiya, təzyiq, cərəyan, yerdəyişmə, vibrasiya, fırlanma, əyilmə və kimyəvi kəmiyyət optik yola təsir etdikdə bu parametrlər müvafiq olaraq dəyişir. Fiber optik zondlama müvafiq fiziki kəmiyyətləri aşkar etmək üçün bu parametrlər və xarici amillər arasındakı əlaqəyə əsaslanır.
Çox növləri varlazer mənbəyiiki kateqoriyaya bölünə bilən optik lif algılama sistemlərində istifadə olunur: koherentlazer mənbələrivə qeyri-koherent işıq mənbələri, qeyri-koherentişıq mənbələriəsasən közərmə işığı və işıq yayan diodlar, koherent işıq mənbələrinə bərk lazerlər, maye lazerlər, qaz lazerləri,yarımkeçirici lazervəfiber lazer. Aşağıdakılar əsasən üçündirlazer işıq mənbəyison illərdə fiber zondlama sahəsində geniş istifadə olunur: dar xətt eni tək tezlikli lazer, tək dalğa uzunluğunda süpürmə tezliyi lazeri və ağ lazer.
1.1 Dar xətt eni üçün tələblərlazer işıq mənbələri
Optik lif algılama sistemi lazer mənbəyindən ayrıla bilməz, çünki ölçülmüş siqnal daşıyıcısı işıq dalğası, lazer işıq mənbəyinin özünün performansı, məsələn, güc sabitliyi, lazer xəttinin genişliyi, faza səs-küyü və optik lif algılama sisteminin aşkarlama məsafəsi, aşkarlanması kimi digər parametrlər dəqiqlik, həssaslıq və səs-küy xüsusiyyətləri həlledici rol oynayır. Son illərdə, uzun məsafəli ultra yüksək ayırdetməli optik lifli zondlama sistemlərinin inkişafı ilə, akademiya və sənaye lazer miniatürləşdirmənin xətti eni performansı üçün daha ciddi tələblər irəli sürdü, əsasən: optik tezlik domeninin əks olunması (OFDR) texnologiyası koherent istifadə edir. geniş əhatə dairəsi (minlərlə metr) ilə tezlik sahəsində optik liflərin arxa xətti səpələnmiş siqnallarını təhlil etmək üçün aşkarlama texnologiyası. Yüksək ayırdetmə (millimetr səviyyəli ayırdetmə) və yüksək həssaslıq (-100 dBm-ə qədər) üstünlükləri paylanmış optik lifin ölçülməsi və algılama texnologiyasında geniş tətbiq perspektivləri olan texnologiyalardan birinə çevrilmişdir. OFDR texnologiyasının əsası optik tezlik tənzimləməsinə nail olmaq üçün tənzimlənə bilən işıq mənbəyindən istifadə etməkdir, buna görə də lazer mənbəyinin performansı OFDR aşkarlama diapazonu, həssaslıq və qətnamə kimi əsas amilləri müəyyən edir. Yansıtma nöqtəsi məsafəsi koherens uzunluğuna yaxın olduqda, döyüntü siqnalının intensivliyi τ/τc əmsalı ilə eksponent olaraq zəifləyəcəkdir. Spektral formaya malik Qauss işıq mənbəyi üçün döyünmə tezliyinin 90%-dən çox görmə qabiliyyətinə malik olmasını təmin etmək üçün işıq mənbəyinin xətti eni ilə sistemin əldə edə biləcəyi maksimum hissetmə uzunluğu arasında əlaqə Lmax~0.04vg təşkil edir. /f, yəni 80 km uzunluğunda bir lif üçün işıq mənbəyinin xətti eni 100 Hz-dən azdır. Bundan əlavə, digər tətbiqlərin inkişafı da işıq mənbəyinin xətti genişliyinə daha yüksək tələblər qoyur. Məsələn, optik lifli hidrofon sistemində işıq mənbəyinin xətti eni sistemin səs-küyünü müəyyən edir və həmçinin sistemin minimum ölçülə bilən siqnalını müəyyən edir. Brillouin optik zaman domen reflektorunda (BOTDR) temperatur və gərginliyin ölçülməsi əsasən işıq mənbəyinin xəttinin eni ilə müəyyən edilir. Rezonator fiber-optik giroskopda işıq dalğasının koherens uzunluğu işıq mənbəyinin xəttinin enini azaltmaqla artırıla bilər, bununla da rezonatorun incəliyini və rezonans dərinliyini yaxşılaşdırmaq, rezonatorun xətti enini azaltmaq və ölçməni təmin etmək olar. fiber optik gironun dəqiqliyi.
1.2 Süpürgə lazer mənbələrinə dair tələblər
Tək dalğa uzunluqlu süpürmə lazeri çevik dalğa uzunluğu tənzimləmə performansına malikdir, birdən çox çıxış sabit dalğa uzunluğuna malik lazerləri əvəz edə bilər, sistemin qurulması xərclərini azalda bilər, optik lif algılama sisteminin əvəzsiz hissəsidir. Məsələn, iz qazı lifinin tədqiqində müxtəlif növ qazların müxtəlif qaz udma pikləri var. Ölçmə qazı kifayət qədər olduqda işığın udma səmərəliliyini təmin etmək və daha yüksək ölçmə həssaslığına nail olmaq üçün ötürücü işıq mənbəyinin dalğa uzunluğunu qaz molekulunun udma zirvəsi ilə uyğunlaşdırmaq lazımdır. Aşkarlana bilən qazın növü əsasən sensor işıq mənbəyinin dalğa uzunluğu ilə müəyyən edilir. Buna görə də, sabit genişzolaqlı tənzimləmə performansına malik dar xətt genişliyi lazerləri belə algılama sistemlərində daha yüksək ölçmə çevikliyinə malikdir. Məsələn, optik tezlik sahəsinin əks olunmasına əsaslanan bəzi paylanmış optik lif zondlama sistemlərində optik siqnalların yüksək dəqiqlikdə ardıcıl aşkarlanması və demodulyasiyasına nail olmaq üçün lazerin tez dövri olaraq süpürülməsi lazımdır, buna görə də lazer mənbəyinin modulyasiya sürəti nisbətən yüksək tələblərə malikdir. , və tənzimlənən lazerin süpürmə sürəti adətən 10 pm/μs-ə çatmaq üçün tələb olunur. Bundan əlavə, dalğa uzunluğu tənzimlənən dar xətt eni lazeri liDAR, lazer məsafədən zondlama və yüksək ayırdetmə spektral analizi və digər zondlama sahələrində də geniş istifadə oluna bilər. Fiber zondlama sahəsində birdalğalı lazerlərin tənzimləmə bant genişliyi, tənzimləmə dəqiqliyi və tənzimləmə sürətinin yüksək performans parametrlərinin tələblərinə cavab vermək üçün son illərdə tənzimlənən dar enli fiber lazerlərin öyrənilməsinin ümumi məqsədi yüksək ultra dar lazer xətti genişliyi, ultra aşağı faza səs-küyü və ultra sabit çıxış tezliyi və gücünə nail olmaq əsasında daha böyük dalğa uzunluğu diapazonunda dəqiq tənzimləmə.
1.3 Ağ lazer işıq mənbəyinə tələbat
Optik zondlama sahəsində yüksək keyfiyyətli ağ işıq lazeri sistemin işini yaxşılaşdırmaq üçün böyük əhəmiyyət kəsb edir. Ağ işıq lazerinin spektrinin əhatə dairəsi nə qədər geniş olarsa, onun optik lif algılama sistemində tətbiqi bir o qədər genişdir. Məsələn, bir sensor şəbəkəsi qurmaq üçün fiber Bragg ızgarasından (FBG) istifadə edərkən demodulyasiya üçün spektral analiz və ya tənzimlənən filtr uyğunlaşdırma üsulu istifadə edilə bilər. Birincisi, şəbəkədəki hər bir FBG rezonans dalğa uzunluğunu birbaşa yoxlamaq üçün bir spektrometrdən istifadə etdi. Sonuncu, hissetmədə FBG-ni izləmək və kalibrləmək üçün istinad filtrindən istifadə edir, hər ikisi FBG üçün sınaq işıq mənbəyi kimi genişzolaqlı işıq mənbəyi tələb edir. Hər bir FBG giriş şəbəkəsi müəyyən daxiletmə itkisinə malik olduğundan və 0,1 nm-dən çox bant genişliyinə malik olduğundan, çoxsaylı FBG-nin eyni vaxtda demodulyasiyası yüksək gücə və yüksək bant genişliyinə malik genişzolaqlı işıq mənbəyi tələb edir. Məsələn, hiss etmək üçün uzunmüddətli lifli barmaqlıqdan (LPFG) istifadə edərkən, tək bir itki pikinin bant genişliyi 10 nm səviyyəsində olduğundan, onun rezonansını dəqiq xarakterizə etmək üçün kifayət qədər bant genişliyi və nisbətən düz spektri olan geniş spektrli işıq mənbəyi tələb olunur. pik xüsusiyyətləri. Xüsusilə, akusto-optik effektdən istifadə etməklə qurulan akustik lifli barmaqlıq (AIFG) elektrik tənzimləmə vasitəsi ilə 1000 nm-ə qədər rezonans dalğa uzunluğunun tənzimləmə diapazonuna nail ola bilər. Buna görə də, belə ultra geniş tənzimləmə diapazonu ilə dinamik ızgara testi geniş spektrli işıq mənbəyinin bant genişliyi diapazonuna böyük problem yaradır. Eynilə, son illərdə əyilmiş Bragg lifli ızgara da lifin tədqiqi sahəsində geniş istifadə edilmişdir. Çox zirvəli itki spektrinin xüsusiyyətlərinə görə dalğa uzunluğunun paylanması diapazonu adətən 40 nm-ə çata bilər. Onun hissetmə mexanizmi adətən çoxlu ötürmə zirvələri arasında nisbi hərəkəti müqayisə etməkdir, ona görə də onun ötürmə spektrini tam ölçmək lazımdır. Geniş spektrli işıq mənbəyinin bant genişliyi və gücü daha yüksək olmalıdır.
2. Ölkədə və xaricdə araşdırma vəziyyəti
2.1 Dar xətt eni lazer işıq mənbəyi
2.1.1 Dar xəttin eni yarımkeçirici paylanmış əks əlaqə lazeri
2006-cı ildə Cliche et al. yarımkeçiricinin MHz şkalasını azaldıbDFB lazer(paylanmış əks əlaqə lazeri) elektrik əks əlaqə metodundan istifadə edərək kHz miqyasına; 2011-ci ildə Kessler et al. 40 MHz ultra dar xətt eni lazer çıxışını əldə etmək üçün aktiv əks əlaqə nəzarəti ilə birlikdə aşağı temperatur və yüksək sabitlikli tək kristal boşluğundan istifadə edilmişdir; 2013-cü ildə Peng və digərləri xarici Fabry-Perot (FP) əks əlaqə tənzimlənməsi metodundan istifadə edərək 15 kHz xəttin eni olan yarımkeçirici lazer çıxışı əldə etdilər. Elektrik geribildirim metodu əsasən işıq mənbəyinin lazer xətti genişliyini azaltmaq üçün Pond-Drever-Hall tezlik sabitləşdirmə rəyindən istifadə etdi. 2010-cu ildə Bernhardi et al. təxminən 1,7 kHz xətt eni ilə lazer çıxışı əldə etmək üçün silikon oksid substratında 1 sm erbium qatqılı alüminium oksidi FBG istehsal etdi. Elə həmin il Liang et al. Şəkil 1-də göstərildiyi kimi yarımkeçirici lazer xəttinin eni sıxılması üçün yüksək Q əks-səda divar rezonatoru tərəfindən formalaşmış geriyə doğru Rayleigh səpilməsinin özünü vurma rəyindən istifadə etdi və nəhayət, 160 Hz-lik dar xətt eni lazer çıxışı əldə etdi.
Şəkil 1 (a) Xarici pıçıltı qalereyası rejimli rezonatorun özünü vurma Rayleigh səpilməsi əsasında yarımkeçirici lazer xəttinin eni sıxılma diaqramı;
(b) xəttin eni 8 MHz olan sərbəst işləyən yarımkeçirici lazerin tezlik spektri;
(c) 160 Hz-ə qədər sıxılmış xətt eni ilə lazerin tezlik spektri
2.1.2 Dar xətt eni fiber lazer
Xətti boşluqlu lifli lazerlər üçün tək uzununa rejimin dar xətti enli lazer çıxışı rezonatorun uzunluğunu qısaltmaqla və uzununa rejim intervalını artırmaqla əldə edilir. 2004-cü ildə Spiegelberg et al. DBR qısa boşluq metodundan istifadə etməklə 2 kHz xəttin eni ilə tək uzununa rejimli dar xətt eni lazer çıxışı əldə etmişdir. 2007-ci ildə Shen et al. Bi-Ge birgə qatqılı fotohəssas lifə FBG yazmaq üçün 2 sm qalınlığında erbium qatqılı silikon lifdən istifadə etdi və onu aktiv liflə birləşdirərək yığcam xətti boşluq əmələ gətirdi və lazer çıxış xəttinin enini 1 kHz-dən az etdi. 2010-cu ildə Yang et al. xətti eni 2 kHz-dən az olan tək uzununa rejimli lazer çıxışını əldə etmək üçün dar zolaqlı FBG filtri ilə birlikdə 2 sm yüksək qatqılı qısa xətti boşluqdan istifadə etmişdir. 2014-cü ildə komanda Şəkil 3-də göstərildiyi kimi daha dar xətt eninə malik lazer çıxışı əldə etmək üçün FBG-FP filtri ilə birləşdirilmiş qısa xətti boşluqdan (virtual qatlanmış halqa rezonatoru) istifadə etdi. 2012-ci ildə Cai et al. çıxış gücü 114 mVt-dan çox, mərkəzi dalğa uzunluğu 1540,3 nm və xəttin eni 4,1 kHz olan qütbləşən lazer çıxışı əldə etmək üçün 1,4 sm qısa boşluq strukturundan istifadə etmişdir. 2013-cü ildə Meng et al. bir uzununa rejimli, 10 mVt çıxış gücü ilə aşağı fazalı səs-küy lazer çıxışı əldə etmək üçün tam qərəzli qoruyucu cihazın qısa bir halqa boşluğu ilə erbium qatqılı lifin Brillouin səpilməsindən istifadə etdi. 2015-ci ildə komanda aşağı həddi və dar xətt enində lazer çıxışı əldə etmək üçün Brillouin səpilmə qazanc mühiti kimi 45 sm erbium qatqılı lifdən ibarət halqa boşluğundan istifadə etdi.
Şəkil 2 (a) SLC fiber lazerinin sxematik təsviri;
(b) 97,6 km lif gecikməsi ilə ölçülən heterodin siqnalının xətti forması
Göndərmə vaxtı: 20 noyabr 2023-cü il