Лазерлік көз технологиясыоптикалық талшықсенсорлық бірінші бөлім
Оптикалық талшықты сезу технологиясы - оптикалық талшық технологиясымен және оптикалық талшықты байланыс технологиясымен бірге дамыған сезу технологиясының бір түрі және фотоэлектрлік технологияның ең белсенді салаларының біріне айналды. Оптикалық талшықты сезу жүйесі негізінен лазерден, беру талшығынан, сезу элементінен немесе модуляция аймағынан, жарықты анықтаудан және басқа бөліктерден тұрады. Жарық толқынының сипаттамаларын сипаттайтын параметрлерге қарқындылық, толқын ұзындығы, фаза, поляризация күйі және т.б. жатады. Бұл параметрлер оптикалық талшық берудегі сыртқы әсерлермен өзгеруі мүмкін. Мысалы, температура, кернеу, қысым, ток, ығысу, діріл, айналу, иілу және химиялық шама оптикалық жолға әсер еткенде, бұл параметрлер сәйкесінше өзгереді. Оптикалық талшықты сезу тиісті физикалық шамаларды анықтау үшін осы параметрлер мен сыртқы факторлар арасындағы байланысқа негізделген.
Көптеген түрлері барлазер көзіоптикалық талшықты сенсорлық жүйелерде қолданылады, оларды екі санатқа бөлуге болады: когеренттілазер көздеріжәне үйлесімсіз жарық көздері, үйлесімсізжарық көздерінегізінен қыздыру шамдары мен жарық шығаратын диодтарды қамтиды, ал когерентті жарық көздеріне қатты лазерлер, сұйық лазерлер, газ лазерлері,жартылай өткізгіш лазержәнеталшықты лазерТөменде негізінен арналғанлазерлік жарық көзісоңғы жылдары талшықты-зондтау саласында кеңінен қолданылып келеді: тар сызықты ені бар бір жиілікті лазер, бір толқын ұзындығындағы сыпырғыш жиілікті лазер және ақ лазер.
1.1 Тар сызық еніне қойылатын талаптарлазерлік жарық көздері
Оптикалық талшықты сезу жүйесін лазер көзінен бөлуге болмайды, себебі өлшенген сигнал тасымалдаушы жарық толқыны, лазерлік жарық көзінің өзінің өнімділігі, мысалы, қуат тұрақтылығы, лазерлік сызық ені, фазалық шу және оптикалық талшықты сезу жүйесінің анықтау қашықтығы, анықтау дәлдігі, сезімталдығы және шу сипаттамалары сияқты басқа параметрлер шешуші рөл атқарады. Соңғы жылдары ұзақ қашықтықтағы ультра жоғары ажыратымдылықтағы оптикалық талшықты сезу жүйелерінің дамуымен академиялық орта мен өнеркәсіп лазерлік миниатюризацияның сызық ені өнімділігіне, негізінен: оптикалық жиілік доменінің шағылысу (OFDR) технологиясы жиілік доменіндегі оптикалық талшықтардың артқы сәулелі шашыраңқы сигналдарын талдау үшін когерентті анықтау технологиясын қолданады, кең қамту аймағында (мыңдаған метр). Жоғары ажыратымдылықтың (миллиметрлік деңгейдегі ажыратымдылық) және жоғары сезімталдықтың (-100 дБм дейін) артықшылықтары таратылған оптикалық талшықты өлшеу және сезу технологиясында кең қолдану перспективасы бар технологиялардың біріне айналды. OFDR технологиясының негізі оптикалық жиілікті реттеуге қол жеткізу үшін реттелетін жарық көзін пайдалану болып табылады, сондықтан лазерлік көздің өнімділігі OFDR анықтау диапазоны, сезімталдығы және ажыратымдылығы сияқты негізгі факторларды анықтайды. Шағылысу нүктесінің қашықтығы когеренттілік ұзындығына жақын болған кезде, соққы сигналының қарқындылығы τ/τc коэффициентімен экспоненциалды түрде әлсірейді. Спектрлік пішіні бар Гаусс жарық көзі үшін соққы жиілігінің 90%-дан астам көрінуін қамтамасыз ету үшін жарық көзінің сызық ені мен жүйе қол жеткізе алатын максималды сезу ұзындығы арасындағы байланыс Lmax~0,04vg/f құрайды, бұл ұзындығы 80 км талшық үшін жарық көзінің сызық ені 100 Гц-тен аз екенін білдіреді. Сонымен қатар, басқа қолданбалардың дамуы жарық көзінің сызық еніне жоғары талаптар қойды. Мысалы, оптикалық талшықты гидрофон жүйесінде жарық көзінің сызық ені жүйенің шуын анықтайды, сонымен қатар жүйенің минималды өлшенетін сигналын анықтайды. Бриллюэн оптикалық уақыт доменінің рефлекторында (BOTDR) температура мен кернеуді өлшеу ажыратымдылығы негізінен жарық көзінің сызық енімен анықталады. Резонаторлы талшықты-оптикалық гироскопта жарық толқынының когеренттілік ұзындығын жарық көзінің сызық енін азайту арқылы арттыруға болады, осылайша резонатордың нәзіктігі мен резонанс тереңдігін жақсартады, резонатордың сызық енін азайтады және талшықты-оптикалық гироскоптың өлшеу дәлдігін қамтамасыз етеді.
1.2 Лазер көздеріне қойылатын талаптар
Бір толқын ұзындығындағы сканерлеу лазері икемді толқын ұзындығын реттеу өнімділігіне ие, бірнеше шығыс бекітілген толқын ұзындығы лазерлерін ауыстыра алады, жүйені құру құнын төмендетеді, оптикалық талшықты сенсорлық жүйенің ажырамас бөлігі болып табылады. Мысалы, іздік газ талшықты сенсорлық жүйеде әртүрлі газ түрлерінің газды сіңіру шыңдары әртүрлі болады. Өлшеу газы жеткілікті болған кезде жарықты сіңіру тиімділігін қамтамасыз ету және жоғары өлшеу сезімталдығына қол жеткізу үшін беріліс жарық көзінің толқын ұзындығын газ молекуласының сіңіру шыңымен сәйкестендіру қажет. Анықтауға болатын газ түрі негізінен сенсорлық жарық көзінің толқын ұзындығымен анықталады. Сондықтан, тұрақты кеңжолақты реттеу өнімділігі бар тар сызықтық ендік лазерлер мұндай сенсорлық жүйелерде өлшеу икемділігін жоғарылатады. Мысалы, оптикалық жиілік доменінің шағылысуына негізделген кейбір таратылған оптикалық талшықты сенсорлық жүйелерде оптикалық сигналдардың жоғары дәлдіктегі когерентті анықтауы мен демодуляциясына қол жеткізу үшін лазерді мезгіл-мезгіл жылдам сканерлеу қажет, сондықтан лазер көзінің модуляция жылдамдығы салыстырмалы түрде жоғары талаптарға ие және реттелетін лазердің сканерлеу жылдамдығы әдетте 10 пм/мкс жетуі керек. Сонымен қатар, толқын ұзындығын реттейтін тар сызықтық енді лазерді liDAR, лазерлік қашықтықтан зондтау және жоғары ажыратымдылықтағы спектрлік талдау және басқа да сезу салаларында кеңінен қолдануға болады. Талшықты зондтау саласындағы бір толқындық лазерлердің реттеу өткізу қабілеттілігінің, реттеу дәлдігінің және реттеу жылдамдығының жоғары өнімділік параметрлерінің талаптарын қанағаттандыру үшін, соңғы жылдары реттелетін тар енді талшықты лазерлерді зерттеудің жалпы мақсаты - ультра тар лазерлік сызықтық енді, ультра төмен фазалық шу және ультра тұрақты шығыс жиілігі мен қуатын пайдалану негізінде үлкен толқын ұзындығы диапазонында жоғары дәлдіктегі реттеуге қол жеткізу.
1.3 Ақ лазерлік жарық көзіне сұраныс
Оптикалық зондтау саласында жоғары сапалы ақ жарық лазері жүйенің жұмысын жақсарту үшін өте маңызды. Ақ жарық лазерінің спектрлік қамтуы неғұрлым кең болса, оны оптикалық талшықты зондтау жүйесінде қолдану соғұрлым кеңірек болады. Мысалы, сенсорлық желіні құру үшін талшықты Брэгг торын (ТБТ) пайдаланған кезде демодуляция үшін спектрлік талдау немесе реттелетін сүзгіні сәйкестендіру әдісі қолданылуы мүмкін. Біріншісі желідегі әрбір ТБТ резонанстық толқын ұзындығын тікелей тексеру үшін спектрометрді пайдаланды. Соңғысы зондтаудағы ТБТ-ны бақылау және калибрлеу үшін анықтамалық сүзгіні пайдаланады, екеуі де ТБТ үшін сынақ жарық көзі ретінде кең жолақты жарық көзін қажет етеді. Әрбір ТБТ кіру желісінде белгілі бір кірістіру шығыны болатындықтан және өткізу қабілеті 0,1 нм-ден асатындықтан, бірнеше ТБТ-ны бір мезгілде демодуляциялау үшін жоғары қуатты және жоғары өткізу қабілеті бар кең жолақты жарық көзі қажет. Мысалы, зондтау үшін ұзақ мерзімді талшықты торды (ҰТТТ) пайдаланған кезде, бір шығын шыңының өткізу қабілеті 10 нм шамасында болғандықтан, оның резонанстық шың сипаттамаларын дәл сипаттау үшін жеткілікті өткізу қабілеті бар және салыстырмалы түрде тегіс спектрлі кең спектрлі жарық көзі қажет. Атап айтқанда, акустикалық-оптикалық әсерді пайдалану арқылы жасалған акустикалық талшықты тор (AIFG) электрлік реттеу арқылы 1000 нм-ге дейінгі резонанстық толқын ұзындығының реттеу диапазонына қол жеткізе алады. Сондықтан, мұндай ультра кең реттеу диапазоны бар динамикалық торды сынау кең спектрлі жарық көзінің өткізу қабілеті диапазонына үлкен қиындық тудырады. Сол сияқты, соңғы жылдары еңкейтілген Брэгг талшықты торы да талшықты сезімталдық саласында кеңінен қолданылып келеді. Көп шыңдық шығын спектрінің сипаттамаларына байланысты толқын ұзындығының таралу диапазоны әдетте 40 нм-ге жетуі мүмкін. Оның сезу механизмі әдетте бірнеше өткізу шыңдары арасындағы салыстырмалы қозғалысты салыстыру болып табылады, сондықтан оның өткізу спектрін толығымен өлшеу қажет. Кең спектрлі жарық көзінің өткізу қабілеті мен қуаты жоғары болуы керек.
2. Елдегі және шетелдегі зерттеу мәртебесі
2.1 Тар сызықтық енді лазерлік жарық көзі
2.1.1 Тар сызықтық ендіктегі жартылай өткізгішті таратылған кері байланыс лазері
2006 жылы Клише және т.б. жартылай өткізгіштің МГц масштабын төмендетті.DFB лазері(таратылған кері байланыс лазері) электрлік кері байланыс әдісін қолдана отырып, кГц шкаласына дейін; 2011 жылы Кесслер және т.б. 40 МГц ультра тар сызықтық енді лазер шығысын алу үшін белсенді кері байланыс басқаруымен біріктірілген төмен температуралы және жоғары тұрақтылықтағы монокристалды қуысты пайдаланды; 2013 жылы Пен және т.б. сыртқы Фабри-Перо (FP) кері байланысын реттеу әдісін қолдана отырып, сызықтық ені 15 кГц болатын жартылай өткізгіш лазер шығысын алды. Электрлік кері байланыс әдісі негізінен жарық көзінің лазерлік сызықтық енін азайту үшін Pond-Drever-Hall жиілік тұрақтандыру кері байланысын қолданды. 2010 жылы Бернхарди және т.б. шамамен 1,7 кГц сызықтық ені бар лазер шығысын алу үшін кремний оксиді негізінде 1 см эрбиймен легирленген алюминий оксиді FBG өндірді. Сол жылы Лян және т.б. 1-суретте көрсетілгендей, жартылай өткізгіш лазердің сызықтық енін сығымдау үшін жоғары Q эхо қабырға резонаторымен қалыптасқан кері Рейли шашырауының өздігінен инъекциялық кері байланысын пайдаланды және соңында 160 Гц тар сызықтық ені бар лазер шығысын алды.
1-сурет (а) Сыртқы сыбырлау галереясы режиміндегі резонатордың өздігінен инъекцияланатын Рейли шашырауына негізделген жартылай өткізгіш лазердің сызықтық енін сығымдау диаграммасы;
(b) 8 МГц сызықтық ені бар еркін жұмыс істейтін жартылай өткізгіш лазердің жиілік спектрі;
(c) Сызықтық ені 160 Гц-ке дейін сығылған лазердің жиілік спектрі
2.1.2 Тар сызықтық енді талшықты лазер
Сызықтық қуысты талшықты лазерлер үшін бір бойлық режимнің тар сызықтық енді лазер шығысы резонатордың ұзындығын қысқарту және бойлық режим аралығын арттыру арқылы алынады. 2004 жылы Шпигельберг және т.б. DBR қысқа қуыс әдісін қолдана отырып, 2 кГц сызықтық ені бар бір бойлық режимдегі тар сызықтық енді лазер шығысын алды. 2007 жылы Шен және т.б. Bi-Ge бірлескен легирленген фотосезімтал талшыққа FBG жазу үшін 2 см қатты эрбиймен легирленген кремний талшығын пайдаланып, оны белсенді талшықпен біріктіріп, ықшам сызықтық қуыс түзді, оның лазерлік шығыс желісінің енін 1 кГц-тен аз етті. 2010 жылы Ян және т.б. 2 кГц-тен аз сызықтық ені бар бір бойлық режимдегі лазер шығысын алу үшін 2 см жоғары легирленген қысқа сызықтық қуысты тар жолақты FBG сүзгісімен біріктіріп пайдаланды. 2014 жылы топ 3-суретте көрсетілгендей, тар сызықтық ені бар лазерлік шығыс алу үшін FBG-FP сүзгісімен біріктірілген қысқа сызықтық қуысты (виртуалды бүктелген сақиналы резонатор) пайдаланды. 2012 жылы Цай және т.б. шығыс қуаты 114 мВт-тан асатын, орталық толқын ұзындығы 1540,3 нм және сызық ені 4,1 кГц болатын поляризациялық лазерлік шығыс алу үшін 1,4 см қысқа қуыс құрылымын пайдаланды. 2013 жылы Менг және т.б. 10 мВт шығыс қуаты бар бір бойлық режимді, төмен фазалы шуыл лазерлік шығысын алу үшін толық ығысуды сақтайтын құрылғының қысқа сақиналы қуысы бар эрбиймен легирленген талшықтың Бриллюэн шашырауын пайдаланды. 2015 жылы топ төмен шекті және тар сызықтық ені бар лазерлік шығыс алу үшін Бриллюэн шашырау күшейту ортасы ретінде 45 см эрбиймен легирленген талшықтан тұратын сақиналы қуысты пайдаланды.
2-сурет (а) SLC талшықты лазерінің схемалық сызбасы;
(b) 97,6 км талшықты кідіріспен өлшенген гетеродин сигналының сызықтық пішіні
Жарияланған уақыты: 20 қараша 2023 ж.