Лазерлік көз технологиясыоптикалық талшықБірінші бөлімді сезу
Оптикалық талшықты зондтау технологиясы - талшықты оптикалық технологиямен және оптикалық талшықты байланыс технологиясымен бірге жасалған зондтау технологиясының бір түрі және ол фотоэлектрлік технологияның ең белсенді салаларының біріне айналды.Оптикалық талшықты зондтау жүйесі негізінен лазерден, трансмиссиялық талшықтан, сезімтал элементтен немесе модуляция аймағынан, жарықты анықтаудан және басқа бөліктерден тұрады.Жарық толқынының сипаттамаларын сипаттайтын параметрлерге интенсивтілік, толқын ұзындығы, фаза, поляризация күйі және т.б. жатады. Бұл параметрлер оптикалық талшықты берудегі сыртқы әсерлердің әсерінен өзгеруі мүмкін.Мысалы, температура, деформация, қысым, ток, орын ауыстыру, діріл, айналу, иілу және химиялық шама оптикалық жолға әсер еткенде, бұл параметрлер сәйкесінше өзгереді.Оптикалық талшықты зондтау сәйкес физикалық шамаларды анықтау үшін осы параметрлер мен сыртқы факторлар арасындағы қатынасқа негізделген.
түрлері көплазер көзіоптикалық талшықты зондтау жүйелерінде қолданылады, оларды екі санатқа бөлуге болады: когеренттілазер көздеріжәне когерентсіз жарық көздері, когерентсізжарық көздерінегізінен қыздыру шамдары мен жарық шығаратын диодтарды қамтиды, ал когерентті жарық көздеріне қатты лазерлер, сұйық лазерлер, газ лазерлері,жартылай өткізгіш лазержәнеталшықты лазер.Төмендегілер негізінен мыналарға арналғанлазерлік жарық көзісоңғы жылдары талшықты зондтау саласында кеңінен қолданылады: тар сызық ені бір жиілікті лазер, бір толқын ұзындығын тазарту жиілік лазері және ақ лазер.
1.1 Тар сызық еніне қойылатын талаптарлазерлік жарық көздері
Оптикалық талшықты зондтау жүйесін лазер көзінен бөлуге болмайды, өйткені өлшенген сигнал тасымалдаушы жарық толқыны, лазерлік жарық көзінің өзі өнімділігі, мысалы, қуат тұрақтылығы, лазер желісінің ені, фазалық шу және оптикалық талшықты зондтау жүйесінің анықтау қашықтығы, анықтау сияқты басқа параметрлер дәлдік, сезімталдық және шу сипаттамалары шешуші рөл атқарады.Соңғы жылдары ұзақ қашықтықтағы ультра жоғары ажыратымдылықты талшықты талшықты зондтау жүйелерінің дамуымен академия мен өнеркәсіп лазерді миниатюризациялаудың желілік ені бойынша өнімділігі үшін неғұрлым қатаң талаптарды алға қойды, негізінен: оптикалық жиілік доменінің шағылысу (OFDR) технологиясы когерентті пайдаланады кең қамтумен (мыңдаған метрлер) жиілік доменіндегі оптикалық талшықтардың кері шашыраңқы сигналдарын талдау үшін анықтау технологиясы.Жоғары ажыратымдылықтың (миллиметрлік деңгейдегі ажыратымдылық) және жоғары сезімталдықтың (-100 дБм дейін) артықшылықтары таратылған оптикалық талшықты өлшеу және сезу технологиясында кең қолдану перспективалары бар технологиялардың біріне айналды.OFDR технологиясының негізі оптикалық жиілікті реттеуге қол жеткізу үшін реттелетін жарық көзін пайдалану болып табылады, сондықтан лазер көзінің өнімділігі OFDR анықтау диапазоны, сезімталдық және ажыратымдылық сияқты негізгі факторларды анықтайды.Шағылу нүктесінің қашықтығы когеренттілік ұзындығына жақын болғанда, соғу сигналының қарқындылығы τ/τc коэффициентімен экспоненциалды түрде әлсірейді.Спектрлік пішіні бар Гаусс жарық көзі үшін соғу жиілігінің 90%-дан астам көріну мүмкіндігін қамтамасыз ету үшін жарық көзінің сызық ені мен жүйе қол жеткізе алатын максималды сезу ұзындығы арасындағы қатынас Lmax~0,04vg құрайды. /f, бұл ұзындығы 80 км талшық үшін жарық көзінің сызық ені 100 Гц-тен аз екенін білдіреді.Сонымен қатар, басқа қолданбалардың дамуы жарық көзінің желілік еніне жоғары талаптар қояды.Мысалы, оптикалық талшықты гидрофондық жүйеде жарық көзінің желілік ені жүйелік шуды анықтайды, сонымен қатар жүйенің минималды өлшенетін сигналын анықтайды.Brillouin оптикалық уақыт доменінің рефлекторында (BOTDR) температура мен кернеудің өлшеу рұқсаты негізінен жарық көзінің сызығының енімен анықталады.Резонаторлы талшықты-оптикалық гироста жарық көзінің сызық енін азайту арқылы жарық толқынының когеренттілік ұзындығын арттыруға болады, осылайша резонатордың жұқалығы мен резонанстық тереңдігін жақсартуға, резонатордың сызық енін азайтуға және өлшеуді қамтамасыз етуге болады. талшықты-оптикалық гиростың дәлдігі.
1.2 Лазерді тазарту көздеріне қойылатын талаптар
Бір толқын ұзындығын тазарту лазері толқын ұзындығын реттеудің икемді өнімділігіне ие, бірнеше шығыс тұрақты толқын ұзындығы лазерлерін алмастыра алады, жүйе құрылысының құнын төмендетеді, оптикалық талшықты зондтау жүйесінің ажырамас бөлігі болып табылады.Мысалы, ізді газ талшықтарын анықтауда газдардың әртүрлі түрлерінің газ сіңіру шыңдары әртүрлі.Өлшеу газы жеткілікті болған кезде жарықты сіңіру тиімділігін қамтамасыз ету және өлшеу сезімталдығына қол жеткізу үшін өткізгіш жарық көзінің толқын ұзындығын газ молекуласының жұтылу шыңына сәйкестендіру қажет.Анықтауға болатын газ түрі негізінен сезімтал жарық көзінің толқын ұзындығымен анықталады.Сондықтан, тұрақты кең жолақты баптау өнімділігі бар тар желілік лазерлер мұндай зондтау жүйелерінде жоғары өлшеу икемділігіне ие.Мысалы, оптикалық жиілік доменінің шағылысуына негізделген кейбір таралған оптикалық талшықты зондтау жүйелерінде оптикалық сигналдарды жоғары дәлдіктегі когерентті анықтауға және демодуляциялауға қол жеткізу үшін лазерді жылдам мезгіл-мезгіл сыпыру қажет, сондықтан лазер көзінің модуляция жылдамдығы салыстырмалы түрде жоғары талаптарға ие. , және реттелетін лазердің тазалау жылдамдығы әдетте 10 pm/μs жету үшін қажет.Сонымен қатар, толқын ұзындығы реттелетін тар сызықтық лазерді liDAR, лазерлік қашықтықтан зондтау және жоғары ажыратымдылықтағы спектрлік талдау және басқа зондтау өрістерінде кеңінен қолдануға болады.Талшықты зондтау саласында бір толқынды лазерлерді баптау өткізу қабілеттілігінің, баптау дәлдігінің және баптау жылдамдығының жоғары өнімділік параметрлерінің талаптарын қанағаттандыру үшін соңғы жылдарда бапталатын тар ені бар талшықты лазерлерді зерттеудің жалпы мақсаты - жоғары икемділікке қол жеткізу. ультра тар лазерлік желі еніне, ультра төмен фазалық шуылға және ультра тұрақты шығу жиілігі мен қуатына ұмтылу негізінде үлкенірек толқын ұзындығы диапазонында дәл баптау.
1.3 Ақ лазерлік жарық көзіне сұраныс
Оптикалық зондтау саласында жоғары сапалы ақ жарық лазері жүйенің жұмысын жақсарту үшін үлкен маңызға ие.Ақ жарық лазерінің ауқымы неғұрлым кең болса, оның оптикалық талшықты зондтау жүйесінде қолданылуы соғұрлым кеңірек болады.Мысалы, сенсорлық желіні құру үшін талшықты Bragg торын (FBG) пайдаланған кезде, демодуляция үшін спектрлік талдау немесе реттелетін сүзгіні сәйкестендіру әдісі қолданылуы мүмкін.Біріншісі желідегі әрбір FBG резонанстық толқын ұзындығын тікелей тексеру үшін спектрометрді пайдаланды.Соңғысы сезуде FBG бақылау және калибрлеу үшін анықтамалық сүзгіні пайдаланады, олардың екеуі де FBG үшін сынақ жарық көзі ретінде кең жолақты жарық көзін қажет етеді.Әрбір FBG қол жеткізу желісі белгілі бір кірістіру жоғалуына және 0,1 нм-ден астам өткізу қабілеттілігіне ие болғандықтан, бірнеше FBG бір мезгілде демодуляциясы жоғары қуатты және жоғары өткізу қабілеттілігі бар кең жолақты жарық көзін қажет етеді.Мысалы, сезу үшін ұзақ мерзімді талшық торын (LPFG) пайдаланған кезде, бір жоғалту шыңының өткізу қабілеті 10 нм тәртіпте болғандықтан, оның резонансын дәл сипаттау үшін жеткілікті өткізу қабілеттілігі және салыстырмалы түрде тегіс спектрі бар кең спектрлі жарық көзі қажет. шыңының сипаттамалары.Атап айтқанда, акустикалық-оптикалық әсерді пайдалану арқылы жасалған акустикалық талшықты тор (AIFG) электрлік баптау арқылы 1000 нм-ге дейінгі резонанстық толқын ұзындығының баптау диапазонына қол жеткізе алады.Сондықтан, осындай ультра кең баптау диапазоны бар динамикалық торды тестілеу кең спектрлі жарық көзінің өткізу қабілеті диапазонына үлкен қиындық тудырады.Сол сияқты, соңғы жылдары еңкейтілген Брагг талшық торы да талшықты анықтау саласында кеңінен қолданылады.Көп шыңды жоғалту спектрінің сипаттамаларына байланысты толқын ұзындығының таралу диапазоны әдетте 40 нм жетуі мүмкін.Оның сезіну механизмі әдетте бірнеше беріліс шыңдары арасындағы салыстырмалы қозғалысты салыстыру болып табылады, сондықтан оның берілу спектрін толығымен өлшеу қажет.Кең спектрлі жарық көзінің өткізу қабілеті мен қуаты жоғарырақ болуы керек.
2. Елдегі және шетелдегі зерттеу мәртебесі
2.1 Тар сызық ені лазерлік жарық көзі
2.1.1 Тар желілік жартылай өткізгішті таратылған кері байланыс лазері
2006 жылы Cliche et al.жартылай өткізгіштің МГц шкаласын азайттыDFB лазері(үлестірілген кері байланыс лазері ) электрлік кері байланыс әдісі арқылы кГц шкаласына;2011 жылы Кесслер және т.б.40 МГц ультра тар желілік лазерді алу үшін белсенді кері байланысты басқарумен біріктірілген төмен температура мен жоғары тұрақтылық монокристалды қуысты пайдаланды;2013 жылы Пенг және басқалары сыртқы Fabry-Perot (FP) кері байланысты реттеу әдісін қолдану арқылы ені 15 кГц жартылай өткізгішті лазерлік шығысты алды.Электрлік кері байланыс әдісі негізінен жарық көзінің лазерлік сызығының енін азайту үшін Pond-Drever-Hall жиілігін тұрақтандыру кері байланысын пайдаланды.2010 жылы Бернхарди және т.б.сызық ені шамамен 1,7 кГц болатын лазер шығысын алу үшін кремний оксиді субстратында 1 см эрбий қосылған алюминий тотығы FBG өндірді.Сол жылы Лян т.б.1-суретте көрсетілгендей жартылай өткізгішті лазерлік сызықтың енін қысу үшін жоғары Q эхо қабырға резонаторы арқылы қалыптасқан кері Рэйлей шашырауының өздігінен инъекциялық кері байланысын қолданды және соңында 160 Гц тар сызық ені лазер шығысын алды.
1-сурет (а) Сыртқы сыбырлау галереясы режимінің резонаторының өздігінен инъекциялық Rayleigh шашырауына негізделген жартылай өткізгішті лазерлік сызықтың енін қысу диаграммасы;
(b) 8 МГц желісінің ені бар еркін жұмыс істейтін жартылай өткізгіш лазердің жиілік спектрі;
(c) 160 Гц-ке дейін сығылған сызық ені бар лазердің жиілік спектрі
2.1.2 Тар сызық ені талшықты лазер
Сызықтық қуысты талшықты лазерлер үшін бір бойлық режимнің тар сызық ені лазерінің шығуы резонатордың ұзындығын қысқарту және бойлық режим аралығын арттыру арқылы алынады.2004 жылы Спигельберг және т.б.DBR қысқа қуыс әдісін қолдану арқылы 2 кГц желілік ені бар бір бойлық режимдегі тар сызықты лазерлік шығысты алды.2007 жылы Shen et al.Bi-Ge қосылатын фотосезімтал талшыққа FBG жазу үшін 2 см ауыр эрбий қосылған кремний талшығын қолданды және оны белсенді талшықпен біріктіріп, ықшам сызықтық қуысты қалыптастырды, бұл оның лазерлік шығыс сызығының енін 1 кГц-тен аз етті.2010 жылы Ян және т.б.желі ені 2 кГц-тен аз бір бойлық режимді лазер шығысын алу үшін тар жолақты FBG сүзгісімен біріктірілген 2 см жоғары легирленген қысқа сызықтық қуысты қолданды.2014 жылы команда 3-суретте көрсетілгендей тар сызық ені бар лазерлік шығысты алу үшін FBG-FP сүзгісімен біріктірілген қысқа сызықтық қуысты (виртуалды бүктелген сақина резонаторы) пайдаланды. 2012 жылы Cai және т.б.шығыс қуаты 114 мВт-тан жоғары, орталық толқын ұзындығы 1540,3 нм және желі ені 4,1 кГц болатын поляризациялық лазер шығысын алу үшін 1,4 см қысқа қуыс құрылымын пайдаланды.2013 жылы Мэн және т.б.бір бойлық режимді, 10 мВт шығыс қуаты бар төмен фазалы шулы лазерді алу үшін толық қиғаштықты сақтайтын құрылғының қысқа сақиналы қуысы бар эрбий легирленген талшықтың Бриллоуин шашырауын қолданды.2015 жылы топ төмен шекті және тар сызық ені бойынша лазердің шығуын алу үшін Brillouin шашырауының күшейту ортасы ретінде 45 см эрбий қосылған талшықтан тұратын сақина қуысын пайдаланды.
2-сурет (а) SLC талшықты лазерінің схемалық сызбасы;
(b) 97,6 км талшықты кідіріспен өлшенген гетеродиндік сигналдың сызықтық пішіні
Жіберу уақыты: 20 қараша 2023 ж