Lāzera avota tehnoloģija priekšoptiskā šķiedrasajūtot pirmo daļu
Optiskās šķiedras sensoru 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 fotoelektriskās tehnoloģijas nozarēm.Optiskās šķiedras sensoru sistēma galvenokārt sastāv no lāzera, pārraides šķiedras, sensora elementa vai modulācijas zonas, gaismas noteikšanas un citām daļām.Gaismas viļņa raksturlielumus raksturojošie parametri ietver intensitāti, viļņa garumu, fāzi, polarizācijas stāvokli utt. Šos parametrus var mainīt ārējās ietekmes optiskās šķiedras pārraidē.Piemēram, kad temperatūra, deformācija, spiediens, strāva, pārvietojums, vibrācija, rotācija, liece un ķīmiskais daudzums ietekmē optisko ceļu, šie parametri attiecīgi mainās.Optisko šķiedru noteikšana ir balstīta uz saistību starp šiem parametriem un ārējiem faktoriem, lai noteiktu atbilstošos fiziskos lielumus.
Ir daudz veidulāzera avotsizmanto optisko šķiedru sensoru sistēmās, kuras var iedalīt divās kategorijās: koherentaslāzera avotiun nesakarīgi gaismas avoti, nesakarīgigaismas avotigalvenokārt ietver kvēlspuldzes un gaismu izstarojošās diodes, un koherentie gaismas avoti ir cietie lāzeri, šķidrie lāzeri, gāzes lāzeri,pusvadītāju lāzersunšķiedru lāzers.Tālāk ir paredzēts galvenokārtlāzera gaismas avotspēdējos gados plaši izmantots šķiedru sensoru jomā: šauras līnijas platuma vienas frekvences lāzers, viena viļņa garuma slaucīšanas frekvences lāzers un baltais lāzers.
1.1. Prasības šauram līnijas platumamlāzera gaismas avoti
Optisko šķiedru sensoru 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 optiskās šķiedras sensora sistēmas noteikšanas attālumam, noteikšanai. precizitātei, jutīgumam un trokšņa īpašībām ir izšķiroša nozīme.Pēdējos gados, attīstoties tālsatiksmes īpaši augstas izšķirtspējas optisko šķiedru sensoru sistēmām, akadēmiskās aprindas un rūpniecība ir izvirzījušas stingrākas prasības lāzera miniaturizācijas līnijas platuma veiktspējai, galvenokārt: optiskās frekvences domēna atstarošanas (OFDR) tehnoloģija izmanto saskaņotu. noteikšanas tehnoloģija, lai analizētu optisko šķiedru izkliedētos signālus frekvenču diapazonā ar plašu pārklājumu (tūkstošiem metru).Augstas izšķirtspējas (milimetra līmeņa izšķirtspēja) un augstas jutības (līdz -100 dBm) priekšrocības ir kļuvušas par vienu no tehnoloģijām ar plašām pielietojuma perspektīvām sadalītās optiskās šķiedras mērīšanas un sensoru tehnoloģijā.OFDR tehnoloģijas pamatā ir noskaņojama gaismas avota izmantošana, lai panāktu optiskās frekvences regulēšanu, tāpēc lāzera avota veiktspēja nosaka galvenos faktorus, piemēram, OFDR noteikšanas diapazonu, jutību un izšķirtspēju.Kad atstarošanas punkta attālums ir tuvu koherences garumam, sitiena signāla intensitāte tiks eksponenciāli vājināta ar koeficientu τ/τc.Gausa gaismas avotam ar spektrālu formu, lai nodrošinātu, ka sitienu frekvencei ir vairāk nekā 90% redzamības, attiecība starp gaismas avota līnijas platumu un maksimālo uztveršanas garumu, ko sistēma var sasniegt, ir Lmax ~ 0,04 vg. /f, kas nozīmē, ka šķiedrai, kuras garums ir 80 km, gaismas avota līnijas platums ir mazāks par 100 Hz.Turklāt citu lietojumprogrammu izstrāde arī izvirzīja 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.Brillouin optiskā 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 mērījumu. optiskās šķiedras žiroskopa precizitāte.
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, samazina sistēmas būvniecības izmaksas, ir neaizstājama optiskās šķiedras sensoru sistēmas sastāvdaļa.Piemēram, gāzu šķiedru noteikšanā dažāda veida gāzēm ir dažādi gāzes absorbcijas maksimumi.Lai nodrošinātu gaismas absorbcijas efektivitāti, kad mērījumu gāze ir pietiekama, un sasniegtu augstāku mērījumu jutību, ir nepieciešams pieskaņot pārraides gaismas avota viļņa garumu ar gāzes molekulas absorbcijas maksimumu.Nosakāmās gāzes veidu galvenokārt nosaka sensora gaismas avota viļņa garums.Tāpēc šaura līnijas platuma lāzeriem ar stabilu platjoslas regulēšanas veiktspēju ir lielāka mērījumu elastība šādās sensoru sistēmās.Piemēram, dažās izkliedētās optisko šķiedru sensoru sistēmās, kuru pamatā ir optiskā frekvenču domēna atstarošana, lāzers ir periodiski ātri jānoslauka, lai panāktu augstas precizitātes saskaņotu optisko signālu noteikšanu un demodulāciju, tāpēc lāzera avota modulācijas ātrumam ir salīdzinoši augstas prasības. , un regulējamā lāzera slaucīšanas ātrums parasti ir nepieciešams, lai sasniegtu 10 pm/μs.Turklāt ar viļņa garumu regulējamo šaura līnijas platuma lāzeru var plaši izmantot arī liDAR, lāzera attālajā uzraudzībā un augstas izšķirtspējas spektrālajā analīzē un citos uztveršanas laukos.Lai izpildītu augstas veiktspējas parametru prasības attiecībā uz viena viļņa garuma lāzeru regulēšanas joslas platumu, skaņošanas precizitāti un regulēšanas ātrumu šķiedru uztveršanas jomā, pēdējos gados kopējais noskaņojamo šaura platuma šķiedru lāzeru izpētes mērķis ir sasniegt augstu precīza regulēšana lielākā viļņu garuma diapazonā, pamatojoties uz īpaši šauru lāzera līnijas platumu, īpaši zemu fāzes troksni un īpaši stabilu izejas frekvenci un jaudu.
1.3 Pieprasījums pēc balta lāzera gaismas avota
Optiskās uztveršanas jomā augstas kvalitātes baltās gaismas lāzeram ir liela nozīme, lai uzlabotu sistēmas veiktspēju.Jo plašāks ir baltās gaismas lāzera spektra pārklājums, jo plašāks ir tā pielietojums optisko šķiedru sensoru sistēmā.Piemēram, izmantojot šķiedru Bragg režģi (FBG), lai izveidotu sensoru tīklu, demodulācijai var izmantot spektrālo analīzi vai regulējamo 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, un abiem tiem ir nepieciešams platjoslas gaismas avots kā FBG testa gaismas avots.Tā kā katram FBG piekļuves tīklam būs zināms ievietošanas zudums 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, ja uztveršanai izmanto ilgtermiņa šķiedru režģi (LPFG), jo viena zuduma maksimuma joslas platums ir aptuveni 10 nm, ir nepieciešams plaša spektra gaismas avots ar pietiekamu joslas platumu un relatīvi plakanu spektru, lai precīzi raksturotu tā rezonansi. pīķa īpašības.Jo īpaši akustiskās šķiedras režģis (AIFG), kas izveidots, izmantojot akustiski optisko efektu, var sasniegt rezonanses viļņa garuma regulēšanas diapazonu līdz 1000 nm, izmantojot elektrisko regulēšanu.Tāpēc dinamiskā režģa pārbaude ar tik ļoti plašu regulēšanas diapazonu rada lielu izaicinājumu plaša spektra gaismas avota joslas platuma diapazonam.Tāpat pēdējos gados šķiedru sensoru jomā plaši tiek izmantots arī slīpais Bragg šķiedru režģis.Pateicoties tā vairāku pīķu zudumu spektra īpašībām, viļņa garuma sadalījuma diapazons parasti var sasniegt 40 nm.Tās sensora mehānisms parasti ir salīdzināt relatīvo kustību starp vairākiem pārraides maksimumiem, tāpēc ir nepieciešams pilnībā izmērīt tā pārraides spektru.Plaša spektra gaismas avota joslas platumam un jaudai ir jābūt lielākai.
2. Pētniecības statuss mājās un ārzemēs
2.1. Šaura līnijas platuma lāzera gaismas avots
2.1.1. Šauras līnijas platuma pusvadītāju sadalītās atgriezeniskās saites lāzers
2006. gadā Cliche et al.samazināja pusvadītāju MHz skaluDFB lāzers(izkliedētās atgriezeniskās saites lāzers ) kHz mērogā, izmantojot elektriskās atgriezeniskās saites metodi;2011. gadā Kessler u.c.izmantota zemas temperatūras un augstas stabilitātes viena kristāla dobums apvienojumā ar aktīvo atgriezeniskās saites vadību, lai iegūtu īpaši šauru līnijas platuma lāzera izvadi 40 MHz;2013. gadā Peng et al ieguva pusvadītāju lāzera izvadi ar līnijas platumu 15 kHz, izmantojot ārējās Fabri-Perot (FP) atgriezeniskās saites regulēšanas metodi.Elektriskās atgriezeniskās saites metode galvenokārt izmantoja Pond-Drever-Hall frekvences stabilizācijas atgriezenisko saiti, lai samazinātu gaismas avota lāzera līnijas platumu.2010. gadā Bernhardi u.c.saražoja 1 cm ar erbiju 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.pusvadītāju lāzera līnijas platuma saspiešanai izmantoja pašinjekcijas atgriezenisko saiti no Reilija izkliedes, ko veido augstas Q atbalss sienas rezonators, kā parādīts 1. attēlā, un beidzot ieguva šauru līnijas platuma lāzera izvadi 160 Hz.
1. att. (a) Pusvadītāju lāzera līnijas platuma saspiešanas diagramma, kuras pamatā ir ārējā čukstošās galerijas režīma rezonatora pašinjekcijas Reilija 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. Šauras līnijas platuma šķiedru lāzers
Lineārās dobuma šķiedru lāzeriem viena gareniskā režīma šaura līnijas platuma lāzera izvade tiek iegūta, saīsinot rezonatora garumu un palielinot gareniskā režīma intervālu.2004. gadā Spīgelbergs u.c.iegūta viena gareniskā režīma šaura līnijas platuma lāzera izvade ar līnijas platumu 2 kHz, izmantojot DBR īsās dobuma metodi.2007. gadā Shen et al.izmantoja 2 cm lielu ar erbiju leģētu silīcija šķiedru, lai rakstītu FBG uz Bi-Ge līdzleģētas gaismjutīgas šķiedras, un sakausēja to ar aktīvo šķiedru, veidojot kompaktu lineāru dobumu, padarot lāzera izvades līnijas platumu mazāku par 1 kHz.2010. gadā Yang et al.izmantoja 2 cm 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 (virtuālu salocītu gredzena rezonatoru) 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 polarizējošo 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.izmantoja ar erbiju leģētu šķiedru Briljuina izkliedi ar pilna slīpuma saglabāšanas ierīces īsu gredzena dobumu, lai iegūtu viena garenrežīma, zemas fāzes trokšņa lāzera izvadi ar izejas jaudu 10 mW.2015. gadā komanda izmantoja gredzena dobumu, kas sastāv no 45 cm ar erbiju leģētas šķiedras, kā Brillouin izkliedes pastiprināšanas vidi, lai iegūtu zemu slieksni un šaura līnijas platuma lāzera izvadi.
2. attēls (a) SLC šķiedru lāzera shematisks rasējums;
(b) Heterodīna signāla līnijas forma, kas izmērīta ar 97,6 km šķiedras kavēšanos
Izlikšanas laiks: 20. novembris 2023