Lazer mənbəyi texnologiyasıoptik lifBirinci Hissə
Optik lif sensor texnologiyası optik lif texnologiyası və optik lif rabitə texnologiyası ilə birlikdə inkişaf etdirilən bir sensor texnologiyası növüdür və fotoelektrik texnologiyanın ən aktiv qollarından birinə çevrilmişdir. Optik lif sensor sistemi əsasən lazer, ötürmə lifi, sensor elementi və ya modulyasiya sahəsi, işığın aşkarlanması və digər hissələrdən ibarətdir. İşıq dalğasının xüsusiyyətlərini təsvir edən parametrlərə intensivlik, dalğa uzunluğu, faza, polyarizasiya vəziyyəti və s. daxildir. Bu parametrlər optik lif ötürülməsində xarici təsirlər tərəfindən dəyişdirilə bilər. Məsələn, temperatur, gərginlik, təzyiq, cərəyan, yerdəyişmə, vibrasiya, fırlanma, əyilmə və kimyəvi miqdar optik yola təsir etdikdə, bu parametrlər müvafiq olaraq dəyişir. Optik lif sensoru müvafiq fiziki kəmiyyətləri aşkar etmək üçün bu parametrlərlə xarici amillər arasındakı əlaqəyə əsaslanır.
Bir çox növü varlazer mənbəyioptik lifli sensor sistemlərində istifadə olunur və iki kateqoriyaya bölünə bilər: əlaqəlilazer mənbələrivə uyğunsuz işıq mənbələri, uyğunsuzişıq mənbələriəsasən közərmə işığı və işıq yayan diodları əhatə edir və əlaqəli işıq mənbələrinə bərk lazerlər, maye lazerlər, qaz lazerləri,yarımkeçirici lazervəlif lazerAşağıdakılar əsasən üçündürlazer işıq mənbəyiSon illərdə lif sensoru sahəsində geniş istifadə olunanlar: dar xətt enində tək tezlikli lazer, tək dalğa uzunluğunda süpürmə tezliyi lazeri və ağ lazer.
1.1 Dar xətt eni üçün tələblərlazer işıq mənbələri
Optik lif sensor sistemi lazer mənbəyindən ayrıla bilməz, çünki ölçülən siqnal daşıyıcısı işıq dalğası, lazer işıq mənbəyinin özünün performansı, məsələn, güc sabitliyi, lazer xətti eni, faz səs-küyü və optik lif sensor sisteminin aşkarlama məsafəsi, aşkarlama dəqiqliyi, həssaslıq və səs-küy xüsusiyyətləri kimi digər parametrlər həlledici rol oynayır. Son illərdə uzun məsafəli ultra yüksək qətnaməli optik lif sensor sistemlərinin inkişafı ilə akademiya və sənaye lazer miniatürləşməsinin xətt eni performansı üçün daha sərt tələblər irəli sürmüşdür, əsasən: optik tezlik domeninin əks olunması (OFDR) texnologiyası geniş əhatə dairəsinə (minlərlə metr) malik tezlik domenindəki optik liflərin arxa şüa səpələnmiş siqnallarını təhlil etmək üçün koherent aşkarlama texnologiyasından istifadə edir. Yüksək qətnamə (millimetr səviyyəli qətnamə) və yüksək həssaslığın (-100 dBm-ə qədər) üstünlükləri paylanmış optik lif ölçmə və sensor texnologiyasında geniş tətbiq perspektivlərinə malik texnologiyalardan birinə çevrilmişdir. OFDR texnologiyasının əsasını optik tezlik tənzimləməsinə nail olmaq üçün tənzimlənən işıq mənbəyindən istifadə etmək təşkil edir, buna görə də lazer mənbəyinin performansı OFDR aşkarlama diapazonu, həssaslıq və qətnamə kimi əsas amilləri müəyyən edir. Əks olunma nöqtəsi məsafəsi koherentlik uzunluğuna yaxın olduqda, vuruş siqnalının intensivliyi τ/τc əmsalı ilə eksponensial olaraq zəifləyəcək. Spektral formaya malik Qaus işıq mənbəyi üçün, vuruş tezliyinin 90%-dən çox görünməsini təmin etmək üçün işıq mənbəyinin xətt eni ilə sistemin əldə edə biləcəyi maksimum hissetmə uzunluğu arasındakı əlaqə Lmax~0.04vg/f-dir, yəni uzunluğu 80 km olan bir lif üçün işıq mənbəyinin xətt eni 100 Hz-dən azdır. Bundan əlavə, digər tətbiqlərin inkişafı da işıq mənbəyinin xətt eni üçün daha yüksək tələblər irəli sürür. Məsələn, optik lifli hidrofon sistemində işıq mənbəyinin xətt eni sistemin səs-küyünü və həmçinin sistemin minimum ölçülə bilən siqnalını müəyyən edir. Brillouin optik zaman domeni reflektorunda (BOTDR) temperatur və gərginliyin ölçmə qətnaməsi əsasən işıq mənbəyinin xətt eni ilə müəyyən edilir. Rezonatorlu fiber optik giroskopda işıq dalğasının koherentlik uzunluğu işıq mənbəyinin xətt enini azaltmaqla artırıla bilər, beləliklə rezonatorun incəliyini və rezonans dərinliyini yaxşılaşdırmaq, rezonatorun xətt enini azaltmaq və fiber optik giroskopun ölçmə dəqiqliyini təmin etmək mümkündür.
1.2 Süpürmə lazer mənbələri üçün tələblər
Tək dalğa uzunluğunda süpürmə lazeri çevik dalğa uzunluğu tənzimləmə performansına malikdir, çoxsaylı çıxış sabit dalğa uzunluğu lazerlərini əvəz edə bilər, sistem quruluşunun dəyərini azalda bilər, optik lif sensor sisteminin ayrılmaz hissəsidir. Məsələn, iz qazı lif sensorunda müxtəlif növ qazların fərqli qaz udma zirvələri olur. Ölçmə qazı kifayət 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 qaz növü əsasən sensor işıq mənbəyinin dalğa uzunluğu ilə müəyyən edilir. Buna görə də, sabit genişzolaqlı tənzimləmə performansına malik dar xətt enində lazerlər bu cür sensor sistemlərində daha yüksək ölçmə elastikliyinə malikdir. Məsələn, optik tezlik domeninin əks olunmasına əsaslanan bəzi paylanmış optik lif sensor sistemlərində, optik siqnalların yüksək dəqiqlikli koherent aşkarlanması və demodulyasiyasına nail olmaq üçün lazerin vaxtaşırı sürətlə 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 enində lazer liDAR, lazer məsafədən zondlama və yüksək qətnaməli spektral analiz və digər hiss sahələrində də geniş istifadə edilə bilər. Lif zondlama sahəsində tək dalğa uzunluğunda lazerlərin tənzimləmə bant genişliyi, tənzimləmə dəqiqliyi və tənzimləmə sürətinin yüksək performans parametrlərinin tələblərinə cavab vermək üçün son illərdə tənzimlənən dar enində lif lazerlərinin öyrənilməsinin ümumi məqsədi ultra dar lazer xətti enliyi, ultra aşağı fazalı səs-küy və ultra sabit çıxış tezliyi və gücünə əsaslanaraq daha böyük dalğa uzunluğu diapazonunda yüksək dəqiqlikli tənzimləməyə nail olmaqdır.
1.3 Ağ lazer işıq mənbəyinə tələbat
Optik sensor sahəsində yüksək keyfiyyətli ağ işıq lazeri sistemin işini yaxşılaşdırmaq üçün böyük əhəmiyyət kəsb edir. Ağ işıq lazerinin spektr əhatə dairəsi nə qədər geniş olarsa, optik lif sensor sistemində tətbiqi bir o qədər genişdir. Məsələn, sensor şəbəkəsi qurmaq üçün lifli Bragg qəfəsindən (FBG) istifadə edərkən demodulyasiya üçün spektral analiz və ya tənzimlənən filtr uyğunlaşdırma metodundan istifadə etmək olar. Birincisi, şəbəkədəki hər bir FBG rezonans dalğa uzunluğunu birbaşa sınaqdan keçirmək üçün spektrometrdən istifadə edirdi. İkincisi, sensorda 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 şəbəkəsinin müəyyən bir daxiletmə itkisi olacağı və 0,1 nm-dən çox bant genişliyinə malik olduğu üçün birdən çox FBG-nin eyni vaxtda demodulyasiyası yüksək güclü və yüksək bant genişliyinə malik genişzolaqlı işıq mənbəyi tələb edir. Məsələn, sensor üçün uzunmüddətli lifli qəfəsdən (LPFG) istifadə edərkən, tək itki pikinin bant genişliyi 10 nm arasında olduğundan, rezonans pik xüsusiyyətlərini dəqiq xarakterizə etmək üçün kifayət qədər bant genişliyinə və nisbətən düz spektrə malik geniş spektrli işıq mənbəyi tələb olunur. Xüsusilə, akusto-optik effektdən istifadə etməklə qurulmuş akustik lifli qəfəs (AIFG) elektrik tənzimləməsi vasitəsilə 1000 nm-ə qədər rezonans dalğa uzunluğunda tənzimləmə diapazonuna nail ola bilər. Buna görə də, belə bir ultra geniş tənzimləmə diapazonu ilə dinamik qəfəs sınaqdan keçirilməsi geniş spektrli işıq mənbəyinin bant genişliyi diapazonu üçün böyük bir problem yaradır. Eynilə, son illərdə əyilmiş Bragg lifli qəfəsi də lif sensoru sahəsində geniş istifadə olunur. Çox pikli itki spektr xüsusiyyətlərinə görə dalğa uzunluğunun paylanma diapazonu adətən 40 nm-ə çata bilər. Onun sensor mexanizmi adətən birdən çox ötürmə pikləri arasında nisbi hərəkəti müqayisə etməkdir, buna görə də onun ötürmə spektrini tamamilə ölçmək lazımdır. Geniş spektrli işıq mənbəyinin bant genişliyi və gücü daha yüksək olmalıdır.
2. Evdə və xaricdə tədqiqat statusu
2.1 Dar xətt enində lazer işıq mənbəyi
2.1.1 Dar xətt enində yarımkeçirici paylanmış əks əlaqə lazeri
2006-cı ildə Klişe və digərləri yarımkeçiricilərin MHz miqyasını azaltdılar.DFB lazeri(paylanmış geribildirim lazeri) elektrik geribildirim metodundan istifadə edərək kHz miqyasına; 2011-ci ildə Kessler və digərləri 40 MHz ultra dar xətt enində lazer çıxışı əldə etmək üçün aktiv geribildirim nəzarəti ilə birləşdirilmiş aşağı temperaturlu və yüksək stabillikli tək kristal boşluğundan istifadə etdilər; 2013-cü ildə Peng və digərləri xarici Fabry-Perot (FP) geribildirim tənzimləmə metodundan istifadə edərək 15 kHz xətt enində yarımkeçirici lazer çıxışı əldə etdilər. Elektrik geribildirim metodu əsasən işıq mənbəyinin lazer xətti enini azaltmaq üçün Pond-Drever-Hall tezlik stabilizasiyası geribildirimindən istifadə etdi. 2010-cu ildə Bernhardi və digərləri təxminən 1,7 kHz xətt eni olan lazer çıxışı əldə etmək üçün silikon oksid substrat üzərində 1 sm erbiumla zənginləşdirilmiş alüminium oksidi FBG istehsal etdilər. Elə həmin il Liang və digərləri... Şəkil 1-də göstərildiyi kimi, yarımkeçirici lazer xətti enində sıxılma üçün yüksək Q əks-səda divar rezonatoru tərəfindən əmələ gələn geriyə doğru Rayleigh səpələnməsinin öz-özünə vurulma əks-əlaqəsindən istifadə etdi və nəhayət, 160 Hz dar xətt enində lazer çıxışı əldə etdi.
Şəkil 1 (a) Xarici pıçıltı qalereyası rejimli rezonatorun öz-özünə yeridilməsi ilə Rayleigh səpilməsinə əsaslanan yarımkeçirici lazer xətti eninin sıxılma diaqramı;
(b) 8 MHz xətt eni ilə sərbəst işləyən yarımkeçirici lazerin tezlik spektri;
(c) Xətt eni 160 Hz-ə qədər sıxılmış lazerin tezlik spektri
2.1.2 Dar xətt enində lif lazeri
Xətti boşluqlu lifli lazerlər üçün tək uzununa rejimli dar xətt enli lazer çıxışı rezonatorun uzunluğunu qısaltmaq və uzununa rejim intervalını artırmaqla əldə edilir. 2004-cü ildə Spiegelberg və digərləri DBR qısa boşluq metodundan istifadə edərək 2 kHz xətt eni olan tək uzununa rejimli dar xətt enli lazer çıxışı əldə etdilər. 2007-ci ildə Shen və digərləri Bi-Ge birgə aşqarlanmış fotosensitiv lifə FBG yazmaq üçün 2 sm-lik ağır erbiumla aşqarlanmış silikon lifdən istifadə etdilər və onu aktiv liflə əridərək kompakt xətti boşluq yaratdılar və lazer çıxış xətti enini 1 kHz-dən az etdilər. 2010-cu ildə Yang və digərləri 2 kHz-dən az xətt eni olan tək uzununa rejimli lazer çıxışı əldə etmək üçün dar zolaqlı FBG filtri ilə birləşdirilmiş 2 sm-lik yüksək aşqarlanmış qısa xətti boşluqdan istifadə etdilər. 2014-cü ildə komanda, Şəkil 3-də göstərildiyi kimi, daha dar xətt eni olan lazer çıxışı əldə etmək üçün FBG-FP filtri ilə birləşdirilmiş qısa xətti boşluqdan (virtual qatlanmış halqa rezonatoru) istifadə etdi. 2012-ci ildə Cai və digərləri çıxış gücü 114 mVt-dan çox, mərkəzi dalğa uzunluğu 1540,3 nm və xətt eni 4,1 kHz olan polyarizasiya lazer çıxışı əldə etmək üçün 1,4 sm qısa boşluq strukturundan istifadə etdilər. 2013-cü ildə Meng və digərləri 10 mVt çıxış gücünə malik tək uzununa rejimli, aşağı fazalı səs-küy lazer çıxışı əldə etmək üçün tam əyri qoruyucu cihazın qısa halqa boşluğu ilə erbiumla zənginləşdirilmiş lifin Brillouin səpilməsini istifadə etdilər. 2015-ci ildə komanda aşağı eşik və dar xətt eni lazer çıxışı əldə etmək üçün Brillouin səpilmə qazanc mühiti kimi 45 sm erbiumla zənginləşdirilmiş lifdən ibarət halqa boşluğundan istifadə etdi.
Şəkil 2 (a) SLC lifli lazerin sxematik təsviri;
(b) 97,6 km optik lif gecikməsi ilə ölçülən heterodin siqnalının xətti forması
Yayımlanma vaxtı: 20 Noyabr 2023