Lāzera avota tehnoloģijaoptiskā šķiedraPirmās daļas uztvere
Optisko šķiedru uztveršanas tehnoloģija ir uztveršanas tehnoloģijas veids, kas attīstīts līdz ar optisko šķiedru tehnoloģiju un optisko šķiedru sakaru tehnoloģiju, un tā ir kļuvusi par vienu no aktīvākajām fotoelektriskās tehnoloģijas nozarēm. Optisko šķiedru uztveršanas sistēma galvenokārt sastāv no lāzera, pārraides šķiedras, uztveršanas elementa vai modulācijas zonas, gaismas detektēšanas un citām daļām. Gaismas viļņa raksturlielumus raksturojošie parametri ietver intensitāti, viļņa garumu, fāzi, polarizācijas stāvokli utt. Šos parametrus optiskās šķiedras pārraidē var mainīt ārēji faktori. Piemēram, ja temperatūra, deformācija, spiediens, strāva, pārvietojums, vibrācija, rotācija, liece un ķīmiskais daudzums ietekmē optisko ceļu, šie parametri mainās atbilstoši. Optisko šķiedru uztveršana balstās uz šo parametru un ārējo faktoru savstarpējo saistību, lai noteiktu atbilstošos fizikālos lielumus.
Ir daudz veidulāzera avotsko izmanto optisko šķiedru sensoru sistēmās, kuras var iedalīt divās kategorijās: koherentāslāzera avotiun nekoherenti gaismas avoti, nekoherentigaismas avotigalvenokārt ietver kvēlspuldzes un gaismas diodes, un koherentās gaismas avoti ietver cietvielu lāzerus, šķidro lāzerus, gāzes lāzerus,pusvadītāju lāzersunšķiedru lāzersTurpmāk minētais galvenokārt ir paredzētslāzera gaismas avotsPēdējos gados šķiedru uztveršanas jomā plaši izmantoti: šaura līnijas platuma vienfrekvences lāzers, viena viļņa garuma slaucīšanas frekvences lāzers un baltais lāzers.
1.1 Prasības šauram līnijas platumamlāzera gaismas avoti
Optiskās šķiedras uztveršanas sistēmu nevar atdalīt no lāzera avota, jo izmērītā signāla nesēja gaismas vilnis, paša lāzera gaismas avota veiktspēja, piemēram, jaudas stabilitāte, lāzera līnijas platums, fāzes troksnis un citi parametri ietekmē optiskās šķiedras uztveršanas sistēmas noteikšanas attālumu, noteikšanas precizitāti, jutību un trokšņa raksturlielumus. Pēdējos gados, attīstoties tālsatiksmes īpaši augstas izšķirtspējas optiskās šķiedras uztveršanas sistēmām, akadēmiskās aprindas un rūpniecība ir izvirzījušas stingrākas prasības lāzera miniaturizācijas līnijas platuma veiktspējai, galvenokārt: optiskās frekvences domēna refleksijas (OFDR) tehnoloģija izmanto koherentu noteikšanas tehnoloģiju, lai analizētu optisko šķiedru izkliedētos signālus frekvenču domēnā ar plašu pārklājumu (tūkstošiem metru). Augstas izšķirtspējas (milimetru līmeņa izšķirtspēja) un augstas jutības (līdz -100 dBm) priekšrocības ir kļuvušas par vienu no tehnoloģijām ar plašu pielietojumu izkliedēto optisko šķiedru mērīšanas un uztveršanas tehnoloģijā. OFDR tehnoloģijas pamatā ir regulējama gaismas avota izmantošana, lai panāktu optiskās frekvences regulēšanu, tāpēc lāzera avota veiktspēja nosaka tādus galvenos faktorus kā OFDR noteikšanas diapazons, jutība un izšķirtspēja. Kad atstarošanas punkta attālums ir tuvu koherences garumam, sitiena signāla intensitāte eksponenciāli samazināsies par koeficientu τ/τc. Gausa gaismas avotam ar spektrālo formu, lai nodrošinātu, ka sitiena frekvencei ir vairāk nekā 90% redzamība, attiecības starp gaismas avota līnijas platumu un maksimālo uztveršanas garumu, ko sistēma var sasniegt, ir Lmax~0,04vg/f, kas nozīmē, ka šķiedrai ar 80 km garumu gaismas avota līnijas platums ir mazāks par 100 Hz. Turklāt citu pielietojumu attīstība izvirza arī augstākas prasības gaismas avota līnijas platumam. Piemēram, optiskās šķiedras hidrofonu sistēmā gaismas avota līnijas platums nosaka sistēmas troksni un arī nosaka sistēmas minimālo izmērāmo signālu. Briljuēna optiskajā laika domēna reflektorā (BOTDR) temperatūras un sprieguma mērījumu izšķirtspēju galvenokārt nosaka gaismas avota līnijas platums. Rezonatora optiskās šķiedras 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 optiskās šķiedras žiroskopa mērījumu precizitāti.
1.2 Prasības slaucīšanas lāzera avotiem
Viena viļņa garuma slaucīšanas lāzeram ir elastīga viļņa garuma regulēšanas veiktspēja, tas var aizstāt vairākus fiksēta viļņa garuma lāzerus, samazināt sistēmas konstrukcijas izmaksas un ir neaizstājama optiskās šķiedras sensoru sistēmas sastāvdaļa. Piemēram, mikrogāzes šķiedras sensoros dažādu veidu gāzēm ir atšķirīgi gāzes absorbcijas maksimumi. Lai nodrošinātu gaismas absorbcijas efektivitāti, kad mērīšanas gāze ir pietiekama, un sasniegtu augstāku mērīšanas jutību, ir nepieciešams saskaņot caurlaidīgās gaismas avota viļņa garumu ar gāzes molekulas absorbcijas maksimumu. Gāzes veidu, ko var noteikt, būtībā nosaka sensora gaismas avota viļņa garums. Tāpēc šaura līnijas platuma lāzeriem ar stabilu platjoslas regulēšanas veiktspēju šādās sensoru sistēmās ir lielāka mērīšanas elastība. Piemēram, dažās izkliedētās optiskās šķiedras sensoru sistēmās, kuru pamatā ir optiskā frekvenču domēna atstarošana, lāzers ir periodiski ātri jāpārvietojas, lai panāktu augstas precizitātes koherentu optisko signālu noteikšanu un demodulāciju, tāpēc lāzera avota modulācijas ātrumam ir samērā augstas prasības, un regulējamā lāzera slaucīšanas ātrumam parasti ir jāsasniedz 10 pm/μs. Turklāt viļņa garuma regulējamo šaura līnijas platuma lāzeru var plaši izmantot arī liDAR, lāzera tālizpētē un augstas izšķirtspējas spektrālajā analīzē, kā arī citās uztveršanas jomās. Lai izpildītu augstas veiktspējas parametru prasības attiecībā uz viena viļņa garuma lāzeru regulēšanas joslas platumu, regulēšanas precizitāti un regulēšanas ātrumu šķiedru uztveršanas jomā, pēdējo gadu regulējamo šaura platuma šķiedru lāzeru pētījumu vispārējais mērķis ir panākt augstas precizitātes regulēšanu plašākā viļņu garuma diapazonā, pamatojoties uz īpaši šaura lāzera līnijas platuma, īpaši zema fāzes trokšņa un īpaši stabilas izejas frekvences un jaudas sasniegšanu.
1.3 Pieprasījums pēc baltā lāzera gaismas avota
Optiskās uztveršanas jomā augstas kvalitātes baltās gaismas lāzeram ir liela nozīme sistēmas veiktspējas uzlabošanā. Jo plašāks ir baltās gaismas lāzera spektra pārklājums, jo plašāks ir tā pielietojums optisko šķiedru uztveršanas sistēmās. Piemēram, izmantojot šķiedru Brega režģi (FBG) sensoru tīkla izveidei, demodulācijai varētu izmantot spektrālo analīzi vai regulējamu filtru saskaņošanas metodi. Pirmajā gadījumā katra FBG rezonanses viļņa garuma tiešai pārbaudei tīklā tika izmantots spektrometrs. Otrajā gadījumā FBG izsekošanai un kalibrēšanai uztveršanā tika izmantots atsauces filtrs, un abiem šiem mērķiem kā FBG testa gaismas avots ir nepieciešams platjoslas gaismas avots. Tā kā katram FBG piekļuves tīklam būs noteikti ievietošanas zudumi un joslas platums ir lielāks par 0,1 nm, vairāku FBG vienlaicīgai demodulācijai ir nepieciešams platjoslas gaismas avots ar lielu jaudu un lielu joslas platumu. Piemēram, izmantojot ilgstošas šķiedras režģi (LPFG) uztveršanai, tā kā viena zudumu pīķa joslas platums ir aptuveni 10 nm, ir nepieciešams plaša spektra gaismas avots ar pietiekamu joslas platumu un relatīvi plakanu spektru, lai precīzi raksturotu tā rezonanses pīķa raksturlielumus. Jo īpaši akustiskās šķiedras režģis (AIFG), kas konstruēts, izmantojot akustiski optisko efektu, ar elektriskās regulēšanas palīdzību var sasniegt rezonanses viļņa garuma regulēšanas diapazonu līdz 1000 nm. Tāpēc dinamiskā režģa testēšana ar tik īpaši plašu regulēšanas diapazonu rada lielu izaicinājumu plaša spektra gaismas avota joslas platuma diapazonam. Līdzīgi pēdējos gados šķiedru uztveršanas jomā plaši tiek izmantots arī slīpais Brega šķiedras režģis. Pateicoties tā vairāku pīķu zudumu spektra īpašībām, viļņu garuma sadalījuma diapazons parasti var sasniegt 40 nm. Tā uztveršanas mehānisms parasti ir salīdzināt relatīvo kustību starp vairākiem pārraides pīķiem, tāpēc ir nepieciešams pilnībā izmērīt tā pārraides spektru. Plaša spektra gaismas avota joslas platumam un jaudai jābūt lielākai.
2. Pētniecības statuss mājās un ārzemēs
2.1 Šaura līnijas platuma lāzera gaismas avots
2.1.1 Šaura līnijas platuma pusvadītāju izkliedētais atgriezeniskās saites lāzers
2006. gadā Klišs un līdzautori samazināja pusvadītāju MHz skalu.DFB lāzers(izkliedētais atgriezeniskās saites lāzers) kHz skalā, izmantojot elektriskās atgriezeniskās saites metodi; 2011. gadā Kesslers un līdzautori izmantoja zemas temperatūras un augstas stabilitātes monokristāla rezonatoru apvienojumā ar aktīvu atgriezeniskās saites kontroli, lai iegūtu īpaši šaura līnijas platuma lāzera izejas signālu 40 MHz frekvencē; 2013. gadā Pengs un līdzautori, izmantojot ārējās Fabrī-Pero (FP) atgriezeniskās saites regulēšanas metodi, ieguva pusvadītāju lāzera izejas signālu ar līnijas platumu 15 kHz. Elektriskās atgriezeniskās saites metode galvenokārt izmantoja Ponda-Drevera-Holla frekvences stabilizācijas atgriezenisko saiti, lai samazinātu gaismas avota lāzera līnijas platumu. 2010. gadā Bernhardi un līdzautori izgatavoja 1 cm2 ar erbiju leģēta alumīnija oksīda FBG uz silīcija oksīda substrāta, lai iegūtu lāzera izejas signālu ar līnijas platumu aptuveni 1,7 kHz. Tajā pašā gadā Liangs un līdzautori... izmantoja atpakaļejošās Releja izkliedes pašinjekcijas atgriezenisko saiti, ko veido augstas Q atbalss sienas rezonators pusvadītāju lāzera līnijas platuma saspiešanai, kā parādīts 1. attēlā, un visbeidzot ieguva šaura līnijas platuma lāzera izeju 160 Hz.
1. att. (a) Pusvadītāju lāzera līnijas platuma saspiešanas diagramma, kuras pamatā ir ārējā čukstošā galerijas režīma rezonatora pašinjekcijas Releja izkliede;
(b) Brīvi darbojoša pusvadītāju lāzera frekvenču spektrs ar līnijas platumu 8 MHz;
(c) Lāzera frekvenču spektrs ar līnijas platumu, kas saspiests līdz 160 Hz
2.1.2 Šaura līnijas platuma šķiedras lāzers
Lineārajiem rezonatora šķiedru lāzeriem šaura līnijas platuma lāzera izejas signāls ar vienu garenisko režīmu tiek iegūts, saīsinot rezonatora garumu un palielinot gareniskā režīma intervālu. 2004. gadā Spiegelberg et al., izmantojot DBR īso rezonatora metodi, ieguva viena gareniskā režīma šaura līnijas platuma lāzera izejas signālu ar līnijas platumu 2 kHz. 2007. gadā Shen et al. izmantoja 2 cm biezu, ar erbiju stipri leģētu silīcija šķiedru, lai uz Bi-Ge līdzleģētas gaismjutīgas šķiedras ierakstītu FBG, un sapludināja to ar aktīvo šķiedru, lai izveidotu kompaktu lineāru rezonatoru, padarot tā lāzera izejas līnijas platumu mazāku par 1 kHz. 2010. gadā Yang et al. izmantoja 2 cm biezu, ar erbiju stipri leģētu īsu lineāru rezonatoru apvienojumā ar šaurjoslas FBG filtru, lai iegūtu viena gareniskā režīma lāzera izejas signālu ar līnijas platumu mazāku par 2 kHz. 2014. gadā komanda izmantoja īsu lineāru rezonatoru (virtuāli salocītu gredzena rezonatoru) apvienojumā ar FBG-FP filtru, lai iegūtu lāzera izejas signālu ar šaurāku līnijas platumu, kā parādīts 3. attēlā. 2012. gadā Cai et al. izmantoja 1,4 cm īsa rezonatora struktūru, lai iegūtu polarizācijas lāzera izejas signālu ar izejas jaudu, kas lielāka par 114 mW, centrālā viļņa garumu 1540,3 nm un līnijas platumu 4,1 kHz. 2013. gadā Meng et al. izmantoja Briljuēna izkliedi uz erbija leģētas šķiedras ar īsu gredzena rezonatoru pilnībā nobīdītas ierīces veidā, lai iegūtu viena gareniskā režīma, zema fāzes trokšņa lāzera izejas signālu ar izejas jaudu 10 mW. 2015. gadā komanda izmantoja gredzena rezonatoru, kas sastāvēja no 45 cm erbija leģētas šķiedras, kā Briljuēna izkliedes pastiprinājuma vidi, lai iegūtu lāzera izejas signālu ar zemu slieksni un šauru līnijas platumu.
2. att. (a) SLC šķiedru lāzera shematisks zīmējums;
(b) Heterodīna signāla līnijas forma, kas izmērīta ar 97,6 km šķiedras aizkavi
Publicēšanas laiks: 2023. gada 20. novembris