Lazerio šaltinio technologijaoptinis pluoštasjutimas pirmoji dalis
Optinių skaidulų jutimo technologija – tai jutimo technologijos rūšis, sukurta kartu su optinių skaidulų technologija ir optinių skaidulų ryšio technologija, ir ji tapo viena aktyviausių fotoelektrinės technologijos šakų. Optinių skaidulų jutimo sistemą daugiausia sudaro lazeris, perdavimo pluoštas, jutimo elementas arba moduliacijos sritis, šviesos aptikimas ir kitos dalys. Šviesos bangos charakteristikas apibūdinantys parametrai apima intensyvumą, bangos ilgį, fazę, poliarizacijos būseną ir kt. Šiuos parametrus gali keisti išoriniai veiksniai optinių skaidulų perdavime. Pavyzdžiui, kai temperatūra, deformacija, slėgis, srovė, poslinkis, vibracija, sukimasis, lenkimas ir cheminis kiekis veikia optinį kelią, šie parametrai atitinkamai keičiasi. Optinių skaidulų jutimas pagrįstas šių parametrų ir išorinių veiksnių santykiu, siekiant aptikti atitinkamus fizikinius dydžius.
Yra daug rūšiųlazerio šaltinisnaudojami optinių skaidulų jutimo sistemose, kurias galima suskirstyti į dvi kategorijas: koherentiniuslazerio šaltiniaiir nekoherentiniai šviesos šaltiniai, nekoherentiniaišviesos šaltiniaidaugiausia apima kaitrines lempas ir šviesos diodus, o koherentinės šviesos šaltiniai yra kietojo kūno lazeriai, skystojo kūno lazeriai, dujų lazeriai,puslaidininkinis lazerisirpluošto lazerisToliau pateikta informacija daugiausia skirtalazerio šviesos šaltinisPastaraisiais metais pluošto jutimo srityje plačiai naudojami: siauro linijos pločio vieno dažnio lazeris, vieno bangos ilgio šlavimo dažnio lazeris ir baltas lazeris.
1.1 Siauro linijos pločio reikalavimailazerio šviesos šaltiniai
Optinio pluošto jutimo sistemos negalima atskirti nuo lazerio šaltinio, nes, matuojant signalo nešiklio šviesos bangą, lemiamą vaidmenį atlieka paties lazerio šviesos šaltinio veikimas, pvz., galios stabilumas, lazerio linijos plotis, fazinis triukšmas ir kiti parametrai, lemiantys optinio pluošto jutimo sistemos aptikimo atstumą, aptikimo tikslumą, jautrumą ir triukšmo charakteristikas. Pastaraisiais metais, tobulėjant didelio nuotolio itin didelės skiriamosios gebos optinio pluošto jutimo sistemoms, akademinė bendruomenė ir pramonė iškėlė griežtesnius lazerio miniatiūrizacijos linijos pločio našumo reikalavimus, daugiausia: optinio dažnio srities atspindžio (OFDR) technologija naudoja koherentinę aptikimo technologiją, kad analizuotų optinių pluoštų atgalinio spindulio išsklaidytus signalus dažnių srityje, aprėpdama plačią aprėptį (tūkstančius metrų). Didelės skiriamosios gebos (milimetro lygio skiriamoji geba) ir didelio jautrumo (iki -100 dBm) privalumai tapo viena iš technologijų, turinčių plačias taikymo perspektyvas paskirstytosios optinio pluošto matavimo ir jutimo technologijose. OFDR technologijos esmė – naudoti reguliuojamą šviesos šaltinį optiniam dažnio derinimui pasiekti, todėl lazerio šaltinio veikimas lemia pagrindinius veiksnius, tokius kaip OFDR aptikimo diapazonas, jautrumas ir skiriamoji geba. Kai atspindžio taško atstumas yra artimas koherencijos ilgiui, plakimo signalo intensyvumas eksponentiškai silpnėja koeficientu τ/τc. Gauso šviesos šaltiniui, turinčiam spektrinę formą, siekiant užtikrinti, kad plakimo dažnis būtų matomas daugiau nei 90 %, šviesos šaltinio linijos pločio ir maksimalaus jutimo ilgio, kurį sistema gali pasiekti, santykis yra Lmax~0,04vg/f, o tai reiškia, kad 80 km ilgio šviesolaidžiui šviesos šaltinio linijos plotis yra mažesnis nei 100 Hz. Be to, kuriant kitas programas taip pat keliami didesni reikalavimai šviesos šaltinio linijos pločiui. Pavyzdžiui, optinio pluošto hidrofonų sistemoje šviesos šaltinio linijos plotis lemia sistemos triukšmą ir minimalų išmatuojamą sistemos signalą. Brillouin optiniame laiko srities reflektoriuje (BOTDR) temperatūros ir įtempio matavimo skiriamoji geba daugiausia priklauso nuo šviesos šaltinio linijos pločio. Rezonatoriaus šviesolaidiniame giroskope šviesos bangos koherencijos ilgį galima padidinti sumažinant šviesos šaltinio linijos plotį, taip pagerinant rezonatoriaus smulkumą ir rezonanso gylį, sumažinant rezonatoriaus linijos plotį ir užtikrinant šviesolaidinio giroskopo matavimo tikslumą.
1.2 Reikalavimai sklejuojamojo lazerio šaltiniams
Vieno bangos ilgio šlavimo lazeris pasižymi lanksčiu bangos ilgio derinimu, gali pakeisti kelis fiksuoto bangos ilgio lazerius, sumažinti sistemos konstrukcijos kainą ir yra neatsiejama optinių skaidulų jutimo sistemos dalis. Pavyzdžiui, pėdsakinių dujų jutiklyje skirtingų rūšių dujos turi skirtingus dujų sugerties pikus. Siekiant užtikrinti šviesos sugerties efektyvumą, kai matavimo dujų pakanka, ir pasiekti didesnį matavimo jautrumą, būtina suderinti pralaidaus šviesos šaltinio bangos ilgį su dujų molekulės sugerties piku. Aptinkamų dujų tipas iš esmės priklauso nuo jutimo šviesos šaltinio bangos ilgio. Todėl siauro linijos pločio lazeriai, pasižymintys stabiliu plačiajuosčio ryšio derinimu, tokiose jutimo sistemose pasižymi didesniu matavimo lankstumu. Pavyzdžiui, kai kuriose paskirstytose optinių skaidulų jutimo sistemose, pagrįstose optinio dažnių srities atspindžiu, lazeris turi būti greitai periodiškai šluojamas, kad būtų pasiektas didelio tikslumo koherentinis optinių signalų aptikimas ir demoduliacija, todėl lazerio šaltinio moduliacijos greitis yra gana aukštas, o reguliuojamo lazerio šlavimo greitis paprastai turi siekti 10 pm/μs. Be to, bangos ilgio reguliuojamo siauro linijos pločio lazeris taip pat gali būti plačiai naudojamas liDAR, lazerinio nuotolinio stebėjimo, didelės skiriamosios gebos spektrinės analizės ir kitose jutimo srityse. Siekiant patenkinti didelio našumo parametrų reikalavimus, keliamus vieno bangos ilgio lazerių derinimo pralaidumui, derinimo tikslumui ir derinimo greičiui šviesolaidinio jutimo srityje, bendras pastaraisiais metais tirtų reguliuojamų siauro pločio šviesolaidinių lazerių tikslas yra pasiekti didelio tikslumo derinimą platesniame bangos ilgių diapazone, remiantis itin siauro lazerio linijos pločio, itin mažo fazinio triukšmo ir itin stabilaus išėjimo dažnio bei galios principais.
1.3 Baltojo lazerio šviesos šaltinio paklausa
Optinių jutiklių srityje aukštos kokybės baltos šviesos lazeris yra labai svarbus sistemos veikimui gerinti. Kuo platesnė baltos šviesos lazerio spektro aprėptis, tuo platesnis jo taikymas optinių skaidulų jutiklių sistemoje. Pavyzdžiui, naudojant šviesolaidinę Brego gardelę (FBG) jutiklių tinklui konstruoti, demoduliacijai galima naudoti spektrinę analizę arba derinamojo filtro suderinimo metodą. Pirmuoju atveju kiekvienas FBG rezonansinis bangos ilgis tinkle buvo tiesiogiai išbandytas spektrometru. Antruoju atveju FBG sekimui ir kalibravimui jutikliuose naudojamas etaloninis filtras, todėl abiem atvejais reikalingas plačiajuostis šviesos šaltinis kaip bandymo šviesos šaltinis FBG. Kadangi kiekvienas FBG prieigos tinklas turės tam tikrus įterpties nuostolius ir jo pralaidumas yra didesnis nei 0,1 nm, norint vienu metu demoduliuoti kelis FBG, reikia didelio galingumo ir pralaidumo plačiajuosčio šviesos šaltinio. Pavyzdžiui, naudojant ilgo periodo šviesolaidinę gardelę (LPFG) jutikliams, kadangi vieno nuostolių smailės pralaidumas yra apie 10 nm, norint tiksliai apibūdinti jo rezonansines smailės charakteristikas, reikalingas plataus spektro šviesos šaltinis, turintis pakankamą pralaidumą ir santykinai plokščią spektrą. Visų pirma, akustinių skaidulų gardelės (AIFG), sukonstruotos panaudojant akustinį-optinį efektą, elektrinio derinimo būdu gali pasiekti rezonansinio bangos ilgio derinimo diapazoną iki 1000 nm. Todėl dinaminių gardelių bandymas tokiu itin plačiu derinimo diapazonu kelia didelį iššūkį plataus spektro šviesos šaltinio pralaidumo diapazonui. Panašiai pastaraisiais metais pakreiptos Brago skaidulų gardelės taip pat plačiai naudojamos pluošto jutiklių srityje. Dėl daugiasmailės nuostolių spektro charakteristikų bangos ilgio pasiskirstymo diapazonas paprastai gali siekti 40 nm. Jo jutimo mechanizmas paprastai yra palyginti santykinį judėjimą tarp kelių perdavimo pikų, todėl būtina visiškai išmatuoti jo perdavimo spektrą. Plataus spektro šviesos šaltinio pralaidumas ir galia turi būti didesni.
2. Mokslinių tyrimų statusas šalyje ir užsienyje
2.1 Siauraus linijos pločio lazerinis šviesos šaltinis
2.1.1 Siauro linijos pločio puslaidininkinis paskirstyto grįžtamojo ryšio lazeris
2006 m. Cliche ir kt. sumažino puslaidininkių MHz skalęDFB lazeris(paskirstytas grįžtamasis lazeris) kHz skalėje, naudojant elektrinio grįžtamojo ryšio metodą; 2011 m. Kessler ir kt. panaudojo žemos temperatūros ir didelio stabilumo monokristalo rezonatorių kartu su aktyviu grįžtamojo ryšio valdymu, kad gautų itin siauro linijos pločio 40 MHz lazerio signalą; 2013 m. Peng ir kt., naudodami išorinio Fabry-Perot (FP) grįžtamojo ryšio reguliavimo metodą, gavo puslaidininkinio lazerio signalą, kurio linijos plotis yra 15 kHz. Elektrinio grįžtamojo ryšio metodas daugiausia naudojo Pond-Drever-Hall dažnio stabilizavimo grįžtamąjį ryšį, siekiant sumažinti šviesos šaltinio lazerio linijos plotį. 2010 m. Bernhardi ir kt. pagamino 1 cm erbiu legiruoto aliuminio oksido FBG ant silicio oksido substrato, kad gautų lazerio signalą, kurio linijos plotis yra apie 1,7 kHz. Tais pačiais metais Liang ir kt. panaudojo atvirkštinio Rayleigh sklaidos, suformuotos didelio Q aido sienelės rezonatoriaus, savaiminio įpurškimo grįžtamąjį ryšį puslaidininkinio lazerio linijos pločio suspaudimui, kaip parodyta 1 paveiksle, ir galiausiai gavo siauros linijos pločio lazerio išvestį, kurios dažnis buvo 160 Hz.
1 pav. (a) Puslaidininkinio lazerio linijos pločio suspaudimo schema, pagrįsta išorinio šnabždančio galerijos režimo rezonatoriaus savaiminio įpurškimo Rayleigh sklaida;
(b) Laisvai veikiančio puslaidininkinio lazerio, kurio linijos plotis yra 8 MHz, dažnių spektras;
(c) Lazerio dažnių spektras, kurio linijos plotis suspaustas iki 160 Hz
2.1.2 Siauro linijos pločio pluošto lazeris
Linijinių rezonatorių pluošto lazeriuose siauro linijinio pločio vieno išilginio režimo lazerio signalas gaunamas sutrumpinant rezonatoriaus ilgį ir padidinant išilginio režimo intervalą. 2004 m. Spiegelbergas ir kt., naudodami DBR trumpųjų rezonatorių metodą, gavo vieno išilginio režimo siauro linijinio pločio lazerio signalą, kurio linijos plotis yra 2 kHz. 2007 m. Shen ir kt. panaudojo 2 cm storio, stipriai erbiu legiruotą silicio pluoštą, kad užrašytų FBG ant Bi-Ge bendrai legiruoto šviesai jautraus pluošto, ir sujungė jį su aktyviu pluoštu, kad suformuotų kompaktišką linijinę rezonatorių, kurio lazerio išėjimo linijos plotis būtų mažesnis nei 1 kHz. 2010 m. Yang ir kt. panaudojo 2 cm storio, stipriai legiruotą trumpąją linijinę rezonatorių kartu su siaurajuosčiu FBG filtru, kad gautų vieno išilginio režimo lazerio signalą, kurio linijos plotis būtų mažesnis nei 2 kHz. 2014 m. komanda panaudojo trumpą linijinę rezonatorių (virtualų sulankstytą žiedinį rezonatorių) kartu su FBG-FP filtru, kad gautų lazerio signalą su siauresniu linijos pločiu, kaip parodyta 3 paveiksle. 2012 m. Cai ir kt. panaudojo 1,4 cm trumpos ertmės struktūrą, kad gautų poliarizuoto lazerio signalą, kurio išėjimo galia yra didesnė nei 114 mW, centrinis bangos ilgis – 1540,3 nm, o linijos plotis – 4,1 kHz. 2013 m. Meng ir kt. panaudojo erbio legiruoto pluošto Brillouin sklaidą su trumpa žiedine ertme, turinčia visiškai šališką išsaugantį įrenginį, kad gautų vieno išilginio režimo, mažos fazės triukšmo lazerio signalą, kurio išėjimo galia yra 10 mW. 2015 m. komanda panaudojo 45 cm erbio legiruoto pluošto žiedinę ertmę kaip Brillouin sklaidos stiprinimo terpę, kad gautų žemo slenksčio ir siauro linijos pločio lazerio signalą.
2 pav. (a) SLC šviesolaidinio lazerio schema;
(b) Heterodino signalo linijos forma, išmatuota esant 97,6 km pluošto vėlinimui
Įrašo laikas: 2023 m. lapkričio 20 d.