Lazerio šaltinio technologija, skirtaoptinio pluoštopajutęs Pirmąją dalį
Optinio pluošto jutimo technologija yra tam tikra jutimo technologija, sukurta kartu su optinio pluošto technologija ir optinio pluošto ryšio technologija, ir ji tapo viena iš aktyviausių fotoelektrinės technologijos šakų.Optinio pluošto jutimo sistema daugiausia sudaryta iš lazerio, perdavimo pluošto, jutimo elemento arba moduliavimo srities, šviesos aptikimo ir kitų dalių.Šviesos bangos charakteristikas apibūdinantys parametrai apima intensyvumą, bangos ilgį, fazę, poliarizacijos būseną ir kt. Šie parametrai gali būti keičiami dėl išorinių optinių skaidulų perdavimo įtakos.Pavyzdžiui, kai temperatūra, deformacija, slėgis, srovė, poslinkis, vibracija, sukimasis, lenkimas ir cheminis kiekis veikia optinį kelią, šie parametrai atitinkamai keičiasi.Optinio pluošto jutimas yra pagrįstas šių parametrų ir išorinių veiksnių ryšiu, kad būtų galima nustatyti atitinkamus fizinius dydžius.
Yra daug rūšiųlazerio šaltinisnaudojamos optinio pluošto jutimo sistemose, kurias galima suskirstyti į dvi kategorijas: koherentineslazeriniai šaltiniaiir nenuoseklūs šviesos šaltiniai, nenuoseklūsšviesos šaltiniaidaugiausia apima kaitrines šviesos ir šviesos diodus, o koherentiniai šviesos šaltiniai yra kietieji lazeriai, skystieji lazeriai, dujiniai lazeriai,puslaidininkinis lazerisirpluošto lazeris.Toliau pateikta daugiausia skirtalazerio šviesos šaltinispastaraisiais metais plačiai naudojamas pluošto jutimo srityje: siauros linijos pločio vieno dažnio lazeris, vieno bangos ilgio šlavimo dažnio lazeris ir baltas lazeris.
1.1 Siauro linijos pločio reikalavimailazeriniai šviesos šaltiniai
Optinio pluošto jutimo sistemos negalima atskirti nuo lazerio šaltinio, nes išmatuota signalo nešiklio šviesos banga, paties lazerio šviesos šaltinio veikimas, pvz., galios stabilumas, lazerio linijos plotis, fazinis triukšmas ir kiti optinio pluošto jutimo sistemos aptikimo atstumo, aptikimo parametrai. tikslumas, jautrumas ir triukšmo charakteristikos vaidina lemiamą vaidmenį.Pastaraisiais metais, plėtojant didelio atstumo itin didelės skiriamosios gebos optinio pluošto jutimo sistemas, akademinė bendruomenė ir pramonė iškėlė griežtesnius lazerio miniatiūrizavimo linijos pločio reikalavimus, daugiausia: optinio dažnio srities atspindžio (OFDR) technologijoje naudojamas nuoseklus ryšys. aptikimo technologija, skirta analizuoti išsklaidytus optinių skaidulų signalus dažnių srityje su plačia aprėptis (tūkstančiai metrų).Didelės skiriamosios gebos (milimetro lygio skiriamoji geba) ir didelio jautrumo (iki -100 dBm) privalumai tapo viena iš technologijų, turinčių plačias pritaikymo perspektyvas paskirstytoje optinio pluošto matavimo ir jutimo technologijoje.OFDR technologijos esmė yra derinamo šviesos šaltinio naudojimas optiniam dažnio derinimui, todėl lazerio šaltinio veikimas lemia tokius pagrindinius veiksnius kaip OFDR aptikimo diapazonas, jautrumas ir skiriamoji geba.Kai atspindžio taško atstumas yra artimas koherencijos ilgiui, ritmo signalo intensyvumas bus eksponentiškai susilpnintas koeficientu τ/τc.Gauso šviesos šaltinio, turinčio spektrinę formą, siekiant užtikrinti, kad plakimo dažnis būtų matomas daugiau nei 90 %, ryšys tarp šviesos šaltinio linijos pločio ir maksimalaus jutiklio ilgio, kurį gali pasiekti sistema, yra Lmax ~ 0,04 vg. /f, o tai reiškia, kad 80 km ilgio pluošto šviesos šaltinio linijos plotis yra mažesnis nei 100 Hz.Be to, kitų programų kūrimas kelia aukštesnius reikalavimus šviesos šaltinio linijos pločiui.Pavyzdžiui, optinio pluošto hidrofono sistemoje šviesos šaltinio linijos plotis nustato sistemos triukšmą ir taip pat nustato minimalų išmatuojamą sistemos signalą.Brillouin optinio laiko srities reflektorius (BOTDR) temperatūros ir įtempių matavimo skiriamąją gebą daugiausia lemia šviesos šaltinio linijos plotis.Rezonatoriaus šviesolaidiniame giroskope šviesos bangos koherentiškumo ilgį galima padidinti sumažinus šviesos šaltinio linijos plotį, taip pagerinant rezonatoriaus smulkumą ir rezonanso gylį, sumažinant rezonatoriaus linijos plotį ir užtikrinant matavimą. šviesolaidinio giroskopo tikslumas.
1.2 Reikalavimai šluojamojo lazerio šaltiniams
Vieno bangos ilgio šlavimo lazeris pasižymi lanksčiu bangos ilgio derinimu, gali pakeisti kelis fiksuoto bangos ilgio lazerius, sumažinti sistemos konstravimo išlaidas, yra nepakeičiama optinio pluošto jutimo sistemos dalis.Pavyzdžiui, naudojant pėdsakų dujų pluošto jutimą, skirtingų rūšių dujos turi skirtingus dujų sugerties smailes.Siekiant užtikrinti šviesos sugerties efektyvumą, kai pakanka matavimo dujų, ir pasiekti didesnį matavimo jautrumą, reikia sulyginti perdavimo šviesos šaltinio bangos ilgį su dujų molekulės sugerties smaile.Dujų, kurias galima aptikti, rūšis iš esmės lemia jutiklio šviesos šaltinio bangos ilgis.Todėl siauros linijos pločio lazeriai su stabiliu plačiajuosčio ryšio derinimo našumu turi didesnį matavimo lankstumą tokiose jutimo sistemose.Pavyzdžiui, kai kuriose paskirstytose optinio pluošto jutimo sistemose, pagrįstose optinio dažnio srities atspindžiu, lazeris turi būti periodiškai greitai nuvalomas, kad būtų pasiektas didelio tikslumo nuoseklus optinių signalų aptikimas ir demoduliavimas, todėl lazerio šaltinio moduliavimo spartai keliami gana aukšti reikalavimai. , o reguliuojamo lazerio šlavimo greitis paprastai turi pasiekti 10 pm/μs.Be to, bangos ilgio derinamas siauros linijos pločio lazeris taip pat gali būti plačiai naudojamas liDAR, lazerinio nuotolinio stebėjimo ir didelės skiriamosios gebos spektrinės analizės bei kituose jutimo laukuose.Siekiant patenkinti vieno bangos ilgio lazerių derinimo dažnių juostos pločio, derinimo tikslumo ir derinimo greičio aukštų parametrų reikalavimus skaidulų jutimo srityje, bendras pastarųjų metų derinamų siauro pločio skaidulinių lazerių tyrimo tikslas yra pasiekti aukštą tikslus derinimas didesniame bangos ilgio diapazone, remiantis itin siauru lazerio linijos pločiu, itin mažu faziniu triukšmu ir itin stabiliu išėjimo dažniu bei galia.
1.3 Balto lazerio šviesos šaltinio paklausa
Optinio jutimo srityje aukštos kokybės baltos šviesos lazeris turi didelę reikšmę gerinant sistemos veikimą.Kuo platesnis baltos šviesos lazerio spektro aprėptis, tuo platesnis jo pritaikymas optinio pluošto jutimo sistemoje.Pavyzdžiui, naudojant šviesolaidinę Bragg grotelę (FBG) jutiklių tinklui sukurti, demoduliacijai galima naudoti spektrinę analizę arba derinamo filtro suderinimo metodą.Pirmasis naudojo spektrometrą, kad tiesiogiai patikrintų kiekvieną FBG rezonansinį bangos ilgį tinkle.Pastarasis naudoja etaloninį filtrą FBG stebėjimui ir kalibravimui jutimo metu, kuriems abiem reikalingas plačiajuostis šviesos šaltinis kaip bandomasis FBG šviesos šaltinis.Kadangi kiekvienas FBG prieigos tinklas turės tam tikrą įterpimo nuostolį, o pralaidumas didesnis nei 0,1 nm, norint vienu metu demoduliuoti kelis FBG, reikalingas didelės galios ir didelio pralaidumo plačiajuosčio ryšio šviesos šaltinis.Pavyzdžiui, kai jutimui naudojama ilgo periodo skaidulinė grotelė (LPFG), kadangi vienos praradimo smailės dažnių juostos plotis yra maždaug 10 nm, norint tiksliai apibūdinti jo rezonansą, reikalingas plataus spektro šviesos šaltinis, turintis pakankamą dažnių juostos plotį ir palyginti plokščią spektrą. piko charakteristikos.Visų pirma, naudojant akustinį optinį efektą sukonstruota akustinio pluošto grotelė (AIFG), naudojant elektrinį derinimą, galima pasiekti iki 1000 nm rezonansinio bangos ilgio derinimo diapazoną.Todėl dinaminis grotelių bandymas naudojant tokį itin platų derinimo diapazoną yra didelis iššūkis plataus spektro šviesos šaltinio pralaidumo diapazonui.Panašiai pastaraisiais metais pakreiptos Bragg pluošto grotelės taip pat buvo plačiai naudojamos pluošto jutimo srityje.Dėl daugelio smailių nuostolių spektro charakteristikų bangos ilgio pasiskirstymo diapazonas paprastai gali siekti 40 nm.Jo jutimo mechanizmas paprastai yra palyginti santykinį judėjimą tarp kelių perdavimo smailių, todėl būtina visiškai išmatuoti jo perdavimo spektrą.Plataus spektro šviesos šaltinio pralaidumas ir galia turi būti didesni.
2. Tyrimo statusas šalyje ir užsienyje
2.1 Siauros linijos pločio lazerio šviesos šaltinis
2.1.1 Siauros linijos pločio puslaidininkinis paskirstytas grįžtamojo ryšio lazeris
2006 m. Cliche ir kt.sumažino puslaidininkių MHz skalęDFB lazeris(paskirstytasis grįžtamojo ryšio lazeris ) iki kHz skalės, naudojant elektrinio grįžtamojo ryšio metodą;2011 m. Kessler ir kt.naudota žemos temperatūros ir didelio stabilumo vieno kristalo ertmė kartu su aktyviu grįžtamojo ryšio valdymu, kad būtų gauta itin siaura 40 MHz lazerio išvestis;2013 m. Peng ir kiti gavo puslaidininkinio lazerio išvestį, kurios linijos plotis yra 15 kHz, naudodami išorinio Fabry-Perot (FP) grįžtamojo ryšio reguliavimo metodą.Elektrinio grįžtamojo ryšio metodas daugiausia naudojo Pond-Drever-Hall dažnio stabilizavimo grįžtamąjį ryšį, kad būtų sumažintas šviesos šaltinio lazerio linijos plotis.2010 metais Bernhardi ir kt.pagamino 1 cm erbiu legiruoto aliuminio oksido FBG ant silicio oksido substrato, kad gautų maždaug 1,7 kHz linijos pločio lazerio išvestį.Tais pačiais metais Liang ir kt.naudojo atgalinio Rayleigh sklaidos savaiminio įpurškimo grįžtamąjį ryšį, kurį sudaro aukšto Q aido sienelės rezonatorius, skirtas puslaidininkinio lazerio linijos pločio suspaudimui, kaip parodyta 1 paveiksle, ir galiausiai gavo siaurą 160 Hz linijos pločio lazerio išvestį.
1 pav. (a) Puslaidininkinio lazerio linijos pločio suspaudimo diagrama, pagrįsta išorinio šnabždesio galerijos režimo rezonatoriaus savaiminio įpurškimo Rayleigh sklaida;
b) laisvai veikiančio puslaidininkinio lazerio, kurio linijos plotis 8 MHz, dažnių spektras;
c) Lazerio dažnių spektras, kurio linijos plotis suspaustas iki 160 Hz
2.1.2 Siauros linijos pločio skaidulinis lazeris
Linijinių ertmių pluošto lazeriams siauros linijos pločio vieno išilginio režimo lazerio išvestis gaunama sutrumpinant rezonatoriaus ilgį ir padidinus išilginio režimo intervalą.2004 m. Spiegelberg ir kt.naudojant DBR trumposios ertmės metodą, gauta vieno išilginio režimo siauros linijos pločio lazerio išvestis, kurios linijos plotis yra 2 kHz.2007 m. Shen ir kt.naudojo 2 cm stipriai erbiu legiruotą silicio pluoštą, kad užrašytų FBG ant Bi-Ge kartu legiruoto šviesai jautraus pluošto, ir sulydė jį su aktyviu pluoštu, kad susidarytų kompaktiška linijinė ertmė, todėl lazerio išvesties linijos plotis buvo mažesnis nei 1 kHz.2010 metais Yang ir kt.naudojo 2 cm labai legiruotą trumpą linijinę ertmę kartu su siaurajuosčiu FBG filtru, kad gautų vieną išilginio režimo lazerio išvestį, kurios linijos plotis mažesnis nei 2 kHz.2014 m. komanda panaudojo trumpą linijinę ertmę (virtualų sulankstyto žiedo rezonatorių) kartu su FBG-FP filtru, kad gautų siauresnio linijos pločio lazerio išvestį, kaip parodyta 3 paveiksle. 2012 m. Cai ir kt.naudojo 1,4 cm trumpos ertmės struktūrą, kad gautų poliarizuojantį lazerio išėjimą, kurio išėjimo galia didesnė nei 114 mW, centrinis bangos ilgis 1540,3 nm ir linijos plotis 4,1 kHz.2013 metais Meng ir kt.naudojo Brillouin sklaidą erbiu legiruoto pluošto su trumpa žiedo ertme pilno poslinkio išsaugojimo įtaisu, kad gautų vieno išilginio režimo žemafazio triukšmo lazerio išėjimą, kurio išėjimo galia 10 mW.2015 m. komanda panaudojo žiedo ertmę, sudarytą iš 45 cm erbiu legiruoto pluošto, kaip Brillouin sklaidos stiprinimo terpę, kad gautų žemo slenksčio ir siauros linijos pločio lazerio išvestį.
2 pav. (a) SLC skaidulinio lazerio scheminis brėžinys;
b ) Heterodino signalo linijinė forma, išmatuota su 97,6 km pluošto vėlavimu
Paskelbimo laikas: 2023-11-20