Lāzera avota tehnoloģijaoptiskā šķiedraPirmā daļa
Optiskā šķiedru uztveršanas tehnoloģija ir sava veida sensoru tehnoloģija, kas izstrādāta kopā ar optisko šķiedru tehnoloģiju un optisko šķiedru sakaru tehnoloģiju, un tā ir kļuvusi par vienu no aktīvākajām fotoelektrisko tehnoloģiju zarām. Optisko šķiedru uztveršanas sistēmu galvenokārt sastāv no lāzera, transmisijas šķiedras, sensoru elementa vai modulācijas apgabala, gaismas noteikšanas un citām detaļām. Parametri, kas apraksta gaismas viļņa raksturlielumus, ietver intensitāti, viļņa garumu, fāzi, polarizācijas stāvokli utt. Šos parametrus var mainīt ar ārējām ietekmēm optiskās šķiedras pārraidē. Piemēram, ja temperatūra, celms, spiediens, strāva, pārvietojums, vibrācija, rotācija, liekšana un ķīmiskais daudzums ietekmē optisko ceļu, šie parametri attiecīgi mainās. Optisko šķiedru noteikšana balstās uz saistību starp šiem parametriem un ārējiem faktoriem, lai noteiktu atbilstošos fiziskos daudzumus.
Ir daudz veidulāzera avotsIzmanto optisko šķiedru noteikšanas sistēmās, kuras var iedalīt divās kategorijās: koherentlāzera avotiun nesakarīgi gaismas avoti, nesakarīgigaismas avotiGalvenokārt ietilpst kvēlspuldzes un gaismas diodes, un koherenti gaismas avoti ir cieti lāzeri, šķidrie lāzeri, gāzes lāzeri,pusvadītāju lāzersunšķiedru lāzersApvidū Šis galvenokārt ir paredzētsLāzera gaismas avotsPēdējos gados plaši izmantots šķiedru noteikšanas jomā: šauras līnijas platuma vienfrekvences lāzera, vienas viļņa garuma slaucīšanas frekvences lāzers un balts lāzers.
1.1 Prasības šauram līnijas platumamLāzera gaismas avoti
Optisko šķiedru uztveršanas sistēmu nevar atdalīt no lāzera avota, jo pats izmērītais signāla nesēja gaismas viļņa, pašas lāzera gaismas avota veiktspēja, piemēram, jaudas stabilitāte, lāzera līnijas platums, fāzes troksnis un citi parametri optiskās šķiedras jutības sistēmas noteikšanas attālumā, noteikšana, noteikšana Izšķiroša loma ir precizitātei, jutīgumam un trokšņa īpašībām. Pēdējos gados, attīstot tālsatiksmes īpaši augstas izšķirtspējas optisko šķiedru sensoru sistēmas, akadēmiskās aprindas un rūpniecība ir izvirzījuši stingrākas prasības lāzera miniaturizācijas veiktspējai līnijas platumam, galvenokārt: optiskās frekvences domēna refleksija (OFDR) tehnoloģija izmanto koherentus Atklāšanas tehnoloģija, lai analizētu optisko šķiedru izkliedētus signālus frekvences domēnā ar plašu pārklājumu (tūkstošiem metru). Augstas izšķirtspējas (milimetru līmeņa izšķirtspējas) un augsta jutības (līdz -100 dBm) priekšrocības ir kļuvušas par vienu no tehnoloģijām ar plašām lietošanas perspektīvām sadalītajā optiskās šķiedras mērījumos un sensoru tehnoloģijā. OFDR tehnoloģijas kodols ir izmantot noskaņojamu gaismas avotu, lai panāktu optiskās frekvences noregulēšanu, tāpēc lāzera avota veiktspēja nosaka galvenos faktorus, piemēram, OFDR noteikšanas diapazonu, jutīgumu un izšķirtspēju. Kad atstarošanas punkta attālums ir tuvu koherences garumam, sitiena signāla intensitāti eksponenciāli samazinās koeficients τ/τc. Gausa gaismas avotam ar spektrālo formu, lai nodrošinātu, ka sitiena frekvencei ir vairāk nekā 90% redzamība, saistība starp gaismas avota līnijas platumu un maksimālo sensoru garumu, ko sistēma var sasniegt /F, kas nozīmē, ka šķiedrai ar 80 km garumu gaismas avota līnijas platums ir mazāks par 100 Hz. Turklāt citu lietojumprogrammu izstrāde arī izvirzīja augstākas prasības gaismas avota līnijas platumam. Piemēram, optisko šķiedru hidrofona sistēmā gaismas avota līnijas platums nosaka sistēmas troksni un arī nosaka minimālo izmērāmo sistēmas signālu. Brillouin optiskā laika domēna reflektorā (BOTDR) temperatūras un sprieguma mērīšanas izšķirtspēju galvenokārt nosaka gaismas avota līnijas platums. Resonatoru optiskā žiroskopā gaismas viļņa koherences garumu var palielināt, samazinot gaismas avota līnijas platumu, tādējādi uzlabojot rezonatora smalkumu un rezonanses dziļumu, samazinot rezonatora līnijas platumu un nodrošinot mērījumu mērīšanu optiskās šķiedras žiroskopības precizitāte.
1.2 Prasības attiecībā uz slaucīšanas lāzera avotiem
Viena viļņa garuma slaucīšanas lāzeram ir elastīga viļņa garuma noregulēšanas veiktspēja, tas var aizstāt vairākus izejas fiksētus viļņa garuma lāzerus, samazināt sistēmas konstrukcijas izmaksas, ir neaizstājama optiskās šķiedras sensoru sistēmas sastāvdaļa. Piemēram, mikroelementos, kas uztver gāzes šķiedras, dažāda veida gāzēm ir dažādas gāzes absorbcijas virsotnes. Lai nodrošinātu gaismas absorbcijas efektivitāti, ja ir pietiekama mērīšanas gāze un sasniegtu augstāku mērīšanas jutīgumu, ir nepieciešams izlīdzināt transmisijas gaismas avota viļņa garumu ar gāzes molekulas absorbcijas virsotni. Gāzes veidu, ko var noteikt, būtībā nosaka ar sensoru gaismas avota viļņa garumu. Tāpēc šauriem līnijas platuma lāzeriem ar stabilu platjoslas noregulēšanas veiktspēju ir augstāka mērījumu elastība šādās sensoru sistēmās. Piemēram, dažās izkliedētās optiskās šķiedras sensoru sistēmās, kuru pamatā ir optiskās frekvences domēna atstarojums, lāzers ir strauji periodiski jāsamazina, lai panāktu augstas precizitātes koherentu optisko signālu noteikšanu un demodulāciju, tāpēc lāzera avota modulācijas ātrumam ir salīdzinoši augstas prasības , un regulējama lāzera slaucīšanas ātrums parasti ir nepieciešams, lai sasniegtu 10 pm/μs. Turklāt viļņa garuma noskaņojamo šaurā līnijas platuma lāzeru var plaši izmantot arī lidarā, lāzera attālās izpētes un augstas izšķirtspējas spektrālās analīzē un citos sensoru laukos. Lai izpildītu joslas platuma noregulēšanas augstas veiktspējas parametru prasības, vienas viļņa garuma lāzeru noregulēšanas precizitāti un noregulēšanas ātrumu šķiedru noteikšanas jomā, vispārējais mērķis pēdējos gados izpētīt noskaņojamus šauras platuma šķiedras lāzerus, ir sasniegt augstu Precīzijas noregulēšana lielākā viļņu garuma diapazonā, pamatojoties uz ultra-narrow lāzera līnijas platumu, īpaši zemu fāzes troksni un īpaši stabilu izejas frekvence un jauda.
1.3 pieprasījums pēc balta lāzera gaismas avota
Optiskās sensēšanas laukā augstas kvalitātes baltās gaismas lāzera ir ļoti nozīmīga, lai uzlabotu sistēmas veiktspēju. Jo plašāks baltā gaismas lāzera spektra pārklājums, jo plašāks tā pielietojums optisko šķiedru noteikšanas sistēmā. Piemēram, ja sensoru tīkla izveidošanai izmanto šķiedru bragg režģi (FBG), demodulācijai varētu izmantot spektrālo analīzi vai noskaņojamu filtru saskaņošanas metodi. Pirmais izmantoja spektrometru, lai tieši pārbaudītu katru FBG rezonanses viļņa garumu tīklā. Pēdējais izmanto atsauces filtru, lai izsekotu un kalibrētu FBG sensorā, kas abiem ir nepieciešams platjoslas gaismas avots kā FBG testa gaismas avots. Tā kā katram FBG piekļuves tīklam būs noteikts ievietošanas zudums, un tā joslas platums pārsniedz 0,1 nm, vienlaicīgai vairāku FBG demodulācijai ir nepieciešams platjoslas gaismas avots ar lielu jaudu un lielu joslas platumu. Piemēram, ja sensoram izmanto ilgstošu šķiedru režģi (LPFG), jo viena zaudējuma maksimuma joslas platums ir 10 nm, ir nepieciešams plaša spektra gaismas avots ar pietiekamu joslas platumu un salīdzinoši plakanu spektru, lai precīzi raksturotu tā rezonansi pīķa īpašības. Jo īpaši akustisko šķiedru režģis (AIFG), kas veidots, izmantojot akustāto-optisko efektu, ar elektrisko noregulēšanu var sasniegt rezonējoša viļņa garuma noregulēšanas diapazonu līdz 1000 nm. Tāpēc dinamiskā režģa pārbaude ar šādu īpaši mēroga tuninga diapazonu rada lielu izaicinājumu plaša spektra gaismas avota joslas platuma diapazonam. Līdzīgi pēdējos gados šķiedru uztveršanas jomā ir plaši izmantota arī BRAGG šķiedru režģa. Sakarā ar vairāku pīķu zudumu spektra raksturlielumiem, viļņu garuma sadalījuma diapazons parasti var sasniegt 40 nm. Tā sensoru mehānisms parasti ir salīdzināt relatīvo kustību starp vairākām pārraides virsotnēm, tāpēc ir nepieciešams pilnībā izmērīt tā pārraides spektru. Plašā spektra gaismas avota joslas platums un jauda ir jābūt augstākai.
2. Pētniecības statuss mājās un ārzemēs
2.1 Šaurais līnijas platuma lāzera gaismas avots
2.1.1 Šaurais līnijas platuma pusvadītājs sadalīts atgriezeniskās saites lāzers
2006. gadā Cliche et al. samazināja pusvadītāja MHz skaluDFB lāzers(izplatīts atgriezeniskās saites lāzers) KHz skalā, izmantojot elektriskās atgriezeniskās saites metodi; 2011. gadā Kessler et al. Izmantots zemas temperatūras un augstas stabilitātes viena kristāla dobums apvienojumā ar aktīvo atgriezeniskās saites kontroli, lai iegūtu īpaši narrow līnijas platuma lāzera izvadi 40 MHz; 2013. gadā Peng et al ieguva pusvadītāju lāzera izvadi ar 15 kHz līnijas platumu, izmantojot ārējās Fabry-Perot (FP) atgriezeniskās saites pielāgošanas metodi. Elektriskās atgriezeniskās saites metodē galvenokārt tika izmantota dīķa dīķa zāles frekvences stabilizācijas atgriezeniskā saite, lai samazinātu gaismas avota lāzera līnijas platumu. 2010. gadā Bernhardi et al. Izgatavots 1 cm erbija leģēta alumīnija oksīda FBG uz silīcija oksīda substrāta, lai iegūtu lāzera izvadi ar līnijas platumu aptuveni 1,7 kHz. Tajā pašā gadā Liang et al. Izmantoja atpakaļejošu Rayleigh izkliedēšanas atgriezenisko saiti, ko veido ar augstu Q atbalss sienas rezonatoru pusvadītāju lāzera līnijas platuma saspiešanai, kā parādīts 1. attēlā, un visbeidzot ieguva šauru līnijas platuma lāzera izvadi 160 Hz.
1. attēls (a) Pusvadītāju lāzera līnijas platuma saspiešanas diagramma, kuras pamatā ir ārējā čukstēšanas galerijas režīma rezonatora pašinjekcijas Raileigh izkliedēšana;
b) bezmaksas pusvadītāju lāzera frekvences spektrs ar līnijas platumu 8 MHz;
c) lāzera frekvences spektrs ar līnijas platumu, kas saspiests līdz 160 Hz
2.1.2 Šaurais līnijas platuma šķiedras lāzers
Lineārā dobuma šķiedru lāzeriem ir iegūta šaurā līnijas platuma lāzera izeja atsevišķā gareniskā režīmā, saīsinot rezonatora garumu un palielinot gareniskā režīma intervālu. 2004. gadā Spiegelberg et al. Izmantojot DBR īsā dobuma metodi, tika iegūta viena gareniskā režīma šaurā līnijas platuma lāzera izvade ar 2 kHz līnijas platumu. 2007. gadā Shen et al. Izmantoja 2 cm stipri erbium leģētu silīcija šķiedru, lai rakstītu FBG uz divkāršās koplietošanas fotosensitīvās šķiedras un sakausētu to ar aktīvu šķiedru, lai veidotu kompaktu lineāru dobumu, padarot tās lāzera izejas līnijas platumu mazāku par 1 kHz. 2010. gadā Yang et al. Izmantoja 2cm ļoti leģētu īsu lineāru dobumu apvienojumā ar šaurjoslas FBG filtru, lai iegūtu vienu gareniskā režīma lāzera izvadi ar līnijas platumu, kas mazāks par 2 kHz. 2014. gadā komanda izmantoja īsu lineāru dobumu (virtuāli salocīts gredzena rezonators) apvienojumā ar FBG-FP filtru, lai iegūtu lāzera izvadi ar šaurāku līnijas platumu, kā parādīts 3. attēlā. 2012. gadā Cai et al. izmantoja 1,4 cm īsu dobuma struktūru, lai iegūtu polarizējošu lāzera izvadi ar izejas jaudu, kas lielāka par 114 MW, centrālo viļņa garumu 1540,3 nm un līnijas platumu 4,1 kHz. 2013. gadā Meng et al. Izmantota brillouīna izkliedēšana ar erbium leģētu šķiedru ar īsu gredzena dobumu ar pilna novirzes saglabāšanas ierīci, lai iegūtu viena garuma režīmu, zemas fāzes trokšņa lāzera izvadi ar izejas jaudu 10 MW. 2015. gadā komanda izmantoja gredzena dobumu, kas sastāv no 45 cm erbium leģētu šķiedru kā Brillouin izkliedes pastiprinājuma nesēju, lai iegūtu zemu slieksni un šauro līnijas platuma lāzera izvadi.
2. attēls (a) SLC šķiedru lāzera shematisks rasējums;
b) Heterodīna signāla līnija, ko mēra ar 97,6 km šķiedru kavēšanos
Pasta laiks: 20.-2023. Novembris