ლაზერული წყაროს ტექნოლოგია ოპტიკური ბოჭკოების სენსორისთვის ნაწილი პირველი

ლაზერული წყაროს ტექნოლოგიაოპტიკური ბოჭკოვანიგრძნობა ნაწილი პირველი

ოპტიკური ბოჭკოვანი ზონდირების ტექნოლოგია არის ერთგვარი სენსორული ტექნოლოგია, რომელიც განვითარებულია ოპტიკურ ბოჭკოვან ტექნოლოგიასთან და ოპტიკურ ბოჭკოვან საკომუნიკაციო ტექნოლოგიასთან ერთად და ის გახდა ფოტოელექტრული ტექნოლოგიის ერთ-ერთი ყველაზე აქტიური ფილიალი. ოპტიკური ბოჭკოვანი ზონდირების სისტემა ძირითადად შედგება ლაზერის, გადამცემი ბოჭკოს, სენსორული ელემენტის ან მოდულაციის არეალის, სინათლის გამოვლენისა და სხვა ნაწილებისგან. სინათლის ტალღის მახასიათებლების აღმწერი პარამეტრები მოიცავს ინტენსივობას, ტალღის სიგრძეს, ფაზას, პოლარიზაციის მდგომარეობას და ა.შ. ეს პარამეტრები შეიძლება შეიცვალოს გარე ზემოქმედებით ოპტიკურ ბოჭკოვან გადაცემაში. მაგალითად, როდესაც ტემპერატურა, დაძაბულობა, წნევა, დენი, გადაადგილება, ვიბრაცია, ბრუნვა, მოხრა და ქიმიური რაოდენობა გავლენას ახდენს ოპტიკურ გზაზე, ეს პარამეტრები შესაბამისად იცვლება. ოპტიკური ბოჭკოების ზონდირება ეფუძნება ამ პარამეტრებსა და გარე ფაქტორებს შორის ურთიერთობას შესაბამისი ფიზიკური რაოდენობების გამოსავლენად.

არსებობს მრავალი სახეობალაზერული წყაროგამოიყენება ოპტიკურ ბოჭკოვან სენსორულ სისტემებში, რომლებიც შეიძლება დაიყოს ორ კატეგორიად: თანმიმდევრულილაზერული წყაროებიდა არათანმიმდევრული სინათლის წყაროები, არათანმიმდევრულისინათლის წყაროებიძირითადად მოიცავს ინკანდესენტურ შუქს და სინათლის დიოდებს, ხოლო თანმიმდევრული სინათლის წყაროები მოიცავს მყარ ლაზერებს, თხევად ლაზერებს, გაზის ლაზერებს,ნახევარგამტარული ლაზერიდაბოჭკოვანი ლაზერი. შემდეგი ძირითადად განკუთვნილიალაზერული სინათლის წყარობოლო წლებში ფართოდ გამოიყენება ბოჭკოვანი ზონდირების სფეროში: ვიწრო ხაზის სიგანის ერთსიხშირიანი ლაზერი, ერთი ტალღის სიგრძის დარტყმის სიხშირის ლაზერი და თეთრი ლაზერი.

1.1 მოთხოვნები ვიწრო ხაზის სიგანეზელაზერული სინათლის წყაროები

ოპტიკურ-ბოჭკოვანი ზონდირების სისტემა არ შეიძლება განცალკევდეს ლაზერული წყაროსგან, რადგან გაზომილი სიგნალის გადამზიდავი სინათლის ტალღა, თავად ლაზერული სინათლის წყაროს შესრულება, როგორიცაა სიმძლავრის სტაბილურობა, ლაზერული ხაზის სიგანე, ფაზის ხმაური და სხვა პარამეტრები ოპტიკურ ბოჭკოვან სენსორული სისტემის გამოვლენის მანძილის შესახებ, გამოვლენა. სიზუსტე, მგრძნობელობა და ხმაურის მახასიათებლები გადამწყვეტ როლს თამაშობს. ბოლო წლების განმავლობაში, შორ მანძილზე ულტრა მაღალი გარჩევადობის ოპტიკური ბოჭკოების სენსორული სისტემების განვითარებით, აკადემიამ და ინდუსტრიამ წამოაყენეს უფრო მკაცრი მოთხოვნები ლაზერული მინიატურიზაციის ხაზის სიგანის შესრულებისთვის, ძირითადად: ოპტიკური სიხშირის დომენის ასახვის (OFDR) ტექნოლოგია იყენებს თანმიმდევრულს. აღმოჩენის ტექნოლოგია ოპტიკური ბოჭკოების უკანა სხივების გაფანტული სიგნალების ანალიზისთვის სიხშირის დომენში, ფართო დაფარვით (ათასობით მეტრი). მაღალი გარჩევადობის (მილიმეტრიანი დონის გარჩევადობა) და მაღალი მგრძნობელობის (-100 დბმ-მდე) უპირატესობები გახდა ერთ-ერთი ტექნოლოგია ფართო გამოყენების პერსპექტივით განაწილებული ოპტიკური ბოჭკოების გაზომვისა და ზონდირების ტექნოლოგიაში. OFDR ტექნოლოგიის არსი არის რეგულირებადი სინათლის წყაროს გამოყენება ოპტიკური სიხშირის დარეგულირების მისაღწევად, ასე რომ, ლაზერული წყაროს მოქმედება განსაზღვრავს ძირითად ფაქტორებს, როგორიცაა OFDR გამოვლენის დიაპაზონი, მგრძნობელობა და გარჩევადობა. როდესაც ასახვის წერტილის მანძილი ახლოსაა თანმიმდევრულობის სიგრძესთან, დარტყმის სიგნალის ინტენსივობა ექსპონენტურად შესუსტდება τ/τc კოეფიციენტით. სპექტრალური ფორმის გაუსის სინათლის წყაროსთვის, იმისთვის, რომ დარტყმის სიხშირე ჰქონდეს 90%-ზე მეტი ხილვადობა, კავშირი სინათლის წყაროს ხაზის სიგანესა და ზონდირების მაქსიმალურ სიგრძეს შორის, რომლის მიღწევაც სისტემას შეუძლია, არის Lmax~0.04vg. /f, რაც ნიშნავს, რომ 80 კმ სიგრძის ბოჭკოსთვის, სინათლის წყაროს ხაზის სიგანე 100 ჰც-ზე ნაკლებია. გარდა ამისა, სხვა აპლიკაციების შემუშავებამ ასევე წამოაყენა უფრო მაღალი მოთხოვნები სინათლის წყაროს ხაზის სიგანეზე. მაგალითად, ოპტიკურ ბოჭკოვანი ჰიდროფონის სისტემაში, სინათლის წყაროს ხაზის სიგანე განსაზღვრავს სისტემის ხმაურს და ასევე განსაზღვრავს სისტემის მინიმალურ გაზომვადი სიგნალს. Brillouin-ის ოპტიკური დროის დომენის რეფლექტორში (BOTDR) ტემპერატურისა და სტრესის გაზომვის გარჩევადობა ძირითადად განისაზღვრება სინათლის წყაროს ხაზის სიგანით. რეზონატორის ოპტიკურ-ბოჭკოვანი გიროში, სინათლის ტალღის თანმიმდევრულობის სიგრძე შეიძლება გაიზარდოს სინათლის წყაროს ხაზის სიგანის შემცირებით, რითაც გაუმჯობესდება რეზონატორის სიზუსტე და რეზონანსული სიღრმე, შემცირდება რეზონატორის ხაზის სიგანე და უზრუნველყოფს გაზომვას. ოპტიკურ-ბოჭკოვანი გიროსკოპიის სიზუსტე.

1.2 მოთხოვნები გამწმენდი ლაზერული წყაროების მიმართ

ერთი ტალღის სიგრძის ტალღის ლაზერს აქვს ტალღის სიგრძის რეგულირების მოქნილი შესრულება, შეუძლია შეცვალოს მრავალი გამომავალი ფიქსირებული ტალღის სიგრძის ლაზერი, შეამციროს სისტემის მშენებლობის ღირებულება, არის ოპტიკური ბოჭკოვანი ზონდირების სისტემის შეუცვლელი ნაწილი. მაგალითად, კვალი გაზის ბოჭკოების ზონდირებაში, სხვადასხვა სახის აირებს აქვთ სხვადასხვა გაზის შთანთქმის პიკი. სინათლის შთანთქმის ეფექტურობის უზრუნველსაყოფად, როდესაც საზომი გაზი საკმარისია და მიაღწიოს უფრო მაღალი გაზომვის მგრძნობელობას, აუცილებელია გადამცემი სინათლის წყაროს ტალღის სიგრძის გასწორება გაზის მოლეკულის შთანთქმის პიკთან. გაზის ტიპი, რომლის აღმოჩენაც შესაძლებელია, არსებითად განისაზღვრება სენსორული სინათლის წყაროს ტალღის სიგრძით. ამრიგად, ვიწრო ხაზის სიგანის ლაზერებს სტაბილური ფართოზოლოვანი რეგულირების შესრულებით აქვთ გაზომვის უფრო მაღალი მოქნილობა ასეთ სენსორულ სისტემებში. მაგალითად, ზოგიერთ განაწილებულ ოპტიკურ ბოჭკოვან სენსორულ სისტემაში, რომელიც დაფუძნებულია ოპტიკური სიხშირის დომენის ასახვაზე, ლაზერი პერიოდულად უნდა გაიწმინდოს ოპტიკური სიგნალების მაღალი სიზუსტის თანმიმდევრული გამოვლენისა და დემოდულაციის მისაღწევად, ამიტომ ლაზერის წყაროს მოდულაციის სიჩქარეს აქვს შედარებით მაღალი მოთხოვნები. , და რეგულირებადი ლაზერის წმენდის სიჩქარე ჩვეულებრივ საჭიროა 10 pm/μs-მდე. გარდა ამისა, ტალღის სიგრძის რეგულირებადი ვიწრო ხაზის სიგანის ლაზერი ასევე შეიძლება ფართოდ იქნას გამოყენებული liDAR-ში, ლაზერულ დისტანციურ ზონდირებაში და მაღალი გარჩევადობის სპექტრულ ანალიზსა და სხვა ზონდირებაში. იმისათვის, რომ დააკმაყოფილოს მაღალი შესრულების პარამეტრების დარეგულირების გამტარუნარიანობა, ტუნინგის სიზუსტე და ერთი ტალღის სიგრძის ლაზერების ტუნინგის სიჩქარე ბოჭკოვან სენსორულ სფეროში, ბოლო წლებში რეგულირებადი ვიწრო სიგანის ბოჭკოვანი ლაზერების შესწავლის საერთო მიზანია მივაღწიოთ მაღალ ზუსტი რეგულირება ტალღის სიგრძის დიაპაზონში ულტრა ვიწრო ლაზერული ხაზის სიგანის, ულტრა დაბალი ფაზის ხმაურის და ულტრა სტაბილური გამომავალი სიხშირისა და სიმძლავრის საფუძველზე.

1.3 თეთრი ლაზერული სინათლის წყაროზე მოთხოვნა

ოპტიკური ზონდირების სფეროში, მაღალი ხარისხის თეთრი სინათლის ლაზერს დიდი მნიშვნელობა აქვს სისტემის მუშაობის გასაუმჯობესებლად. რაც უფრო ფართოა თეთრი სინათლის ლაზერის სპექტრის დაფარვა, მით უფრო ფართოა მისი გამოყენება ოპტიკურ ბოჭკოვან სენსორულ სისტემაში. მაგალითად, სენსორული ქსელის ასაგებად ბოჭკოვანი ბრაგგის (FBG) გამოყენებისას, სპექტრული ანალიზი ან რეგულირებადი ფილტრის შესატყვისი მეთოდი შეიძლება გამოყენებულ იქნას დემოდულაციისთვის. პირველმა გამოიყენა სპექტრომეტრი, რათა პირდაპირ შეემოწმებინა FBG რეზონანსული ტალღის სიგრძე ქსელში. ეს უკანასკნელი იყენებს საცნობარო ფილტრს, რათა თვალყური ადევნოს და დააკალიბროს FBG სენსორში, ორივე მათგანი მოითხოვს ფართოზოლოვანი სინათლის წყაროს, როგორც FBG-ს სატესტო სინათლის წყაროს. იმის გამო, რომ FBG წვდომის თითოეულ ქსელს ექნება ჩასმის გარკვეული დანაკარგი და აქვს 0,1 ნმ-ზე მეტი გამტარუნარიანობა, მრავალჯერადი FBG-ის ერთდროული დემოდულაცია მოითხოვს ფართოზოლოვანი სინათლის წყაროს მაღალი სიმძლავრით და მაღალი გამტარუნარიანობით. მაგალითად, გრძელვადიანი ბოჭკოვანი ბადეების (LPFG) გამოყენებისას სენსორისთვის, ვინაიდან ერთი დაკარგვის პიკის გამტარუნარიანობა 10 ნმ-ის ტოლია, საჭიროა ფართო სპექტრის სინათლის წყარო საკმარისი გამტარიანობით და შედარებით ბრტყელი სპექტრით მისი რეზონანსის ზუსტად დასახასიათებლად. პიკის მახასიათებლები. კერძოდ, აკუსტო-ოპტიკური ეფექტის გამოყენებით აგებულ აკუსტიკური ბოჭკოვან ბადეს (AIFG) შეუძლია მიაღწიოს რეზონანსული ტალღის სიგრძის რეგულირების დიაპაზონს 1000 ნმ-მდე ელექტრული რეგულირების საშუალებით. აქედან გამომდინარე, დინამიური ბადეების ტესტირება ასეთი ულტრა ფართო დარეგულირების დიაპაზონით დიდ გამოწვევას უქმნის ფართო სპექტრის სინათლის წყაროს გამტარუნარიანობის დიაპაზონს. ანალოგიურად, ბოლო წლებში, დახრილი ბრაგის ბოჭკოვანი ბადე ასევე ფართოდ იქნა გამოყენებული ბოჭკოების ზონდირების სფეროში. მისი მრავალპიკური დაკარგვის სპექტრის მახასიათებლების გამო, ტალღის სიგრძის განაწილების დიაპაზონი ჩვეულებრივ შეიძლება მიაღწიოს 40 ნმ-ს. მისი სენსორული მექანიზმი, როგორც წესი, არის შედარებითი მოძრაობის შედარება გადაცემის მრავალ მწვერვალს შორის, ამიტომ აუცილებელია მისი გადაცემის სპექტრის სრულად გაზომვა. ფართო სპექტრის სინათლის წყაროს გამტარუნარიანობა და სიმძლავრე უნდა იყოს უფრო მაღალი.

2. კვლევის სტატუსი სახლში და საზღვარგარეთ

2.1 ვიწრო ხაზის სიგანის ლაზერული სინათლის წყარო

2.1.1 ვიწრო ხაზის სიგანის ნახევარგამტარული განაწილებული უკუკავშირის ლაზერი

2006 წელს კლიშე და სხვ. ნახევარგამტარის MHz-ის მასშტაბის შემცირებაDFB ლაზერი(განაწილებული უკუკავშირის ლაზერი) kHz მასშტაბით ელექტრული უკუკავშირის მეთოდის გამოყენებით; 2011 წელს კესლერმა და სხვ. გამოიყენა დაბალი ტემპერატურა და მაღალი სტაბილურობის ერთკრისტალური ღრუ, კომბინირებული აქტიური უკუკავშირის კონტროლთან ერთად ულტრა ვიწრო ხაზის სიგანის ლაზერის გამოსავლის მისაღებად 40 MHz; 2013 წელს პენგმა და სხვებმა მიიღეს ნახევარგამტარული ლაზერის გამომავალი ხაზის სიგანით 15 kHz გარე Fabry-Perot (FP) უკუკავშირის კორექტირების მეთოდის გამოყენებით. ელექტრული უკუკავშირის მეთოდი ძირითადად იყენებდა Pond-Drever-Hall-ის სიხშირის სტაბილიზაციის უკუკავშირს, რათა შემცირებულიყო სინათლის წყაროს ლაზერული ხაზის სიგანე. 2010 წელს ბერნჰარდი და სხვ. წარმოებული იყო 1 სმ ერბიუმ-დოპირებული ალუმინის FBG სილიციუმის ოქსიდის სუბსტრატზე ლაზერის გამომავალი ხაზის დაახლოებით 1,7 კჰც სიგანის მისაღებად. იმავე წელს ლიანგი და სხვ. გამოიყენა რეილის უკანა გაფანტვის თვითინექციური უკუკავშირი, რომელიც ჩამოყალიბდა მაღალი Q ექო კედლის რეზონატორით, ნახევარგამტარული ლაზერის ხაზის სიგანის შეკუმშვისთვის, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 1, და საბოლოოდ მიიღო ვიწრო ხაზის სიგანის ლაზერის გამომავალი 160 ჰც.

სურ. 1 (ა) ნახევარგამტარული ლაზერის ხაზის სიგანის შეკუმშვის დიაგრამა, რომელიც დაფუძნებულია გარე ჩურჩულის გალერეის რეჟიმის რეზონატორის თვითინექციურ რეილის გაფანტვაზე;
ბ) თავისუფლად გაშვებული ნახევარგამტარული ლაზერის სიხშირის სპექტრი ხაზის სიგანით 8 მჰც;
(გ) ლაზერის სიხშირის სპექტრი ხაზის სიგანით შეკუმშული 160 ჰც-მდე
2.1.2 ვიწრო ხაზის სიგანის ბოჭკოვანი ლაზერი

წრფივი ღრუს ბოჭკოვანი ლაზერებისთვის, ერთჯერადი გრძივი რეჟიმის ვიწრო სიგანის ლაზერის გამოსავალი მიიღება რეზონატორის სიგრძის შემცირებით და გრძივი რეჟიმის ინტერვალის გაზრდით. 2004 წელს შპიგელბერგი და სხვ. მიღებულია ერთი გრძივი რეჟიმის ვიწრო ხაზის სიგანის ლაზერის გამომავალი ხაზის სიგანით 2 kHz DBR მოკლე ღრუს მეთოდის გამოყენებით. 2007 წელს შენ და სხვ. გამოიყენა 2 სმ მძიმედ ერბიუმ-დოპირებული სილიკონის ბოჭკო FBG-ს დასაწერად Bi-Ge კოდოპირებულ ფოტომგრძნობიარე ბოჭკოზე და შეაერთა იგი აქტიურ ბოჭკოსთან კომპაქტური ხაზოვანი ღრუს შესაქმნელად, რაც მის ლაზერის გამომავალი ხაზის სიგანეს 1 kHz-ზე ნაკლებს გახდის. 2010 წელს იანგი და სხვ. გამოიყენა 2 სმ მაღალი დოპინგის მოკლე ხაზოვანი ღრუ, ვიწროზოლიანი FBG ფილტრით, ერთი გრძივი რეჟიმის ლაზერის გამოსავლის მისაღებად 2 kHz-ზე ნაკლები ხაზის სიგანეზე. 2014 წელს გუნდმა გამოიყენა მოკლე ხაზოვანი ღრუ (ვირტუალური დაკეცილი რგოლის რეზონატორი) შერწყმული FBG-FP ფილტრით, რათა მიეღო ლაზერული გამომავალი ვიწრო ხაზის სიგანით, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 3. 2012 წელს, Cai et al. გამოიყენა 1.4 სმ მოკლე ღრუს სტრუქტურა, რათა მიეღო პოლარიზებული ლაზერის გამომავალი სიმძლავრე 114 მვტ-ზე მეტი, ცენტრალური ტალღის სიგრძე 1540.3 ნმ და ხაზის სიგანე 4.1 კჰც. 2013 წელს მენგმა და სხვ. გამოიყენა ერბიუმ-დოპირებული ბოჭკოების ბრილუინის გაფანტვა სრული მიკერძოების შესანარჩუნებელი მოწყობილობის მოკლე რგოლის ღრუში, რათა მივიღოთ ერთი გრძივი რეჟიმი, დაბალი ფაზა ხმაურის ლაზერული გამომავალი სიმძლავრე 10 მვტ. 2015 წელს ჯგუფმა გამოიყენა რგოლის ღრუ, რომელიც შედგება 45 სმ-იანი ერბიუმ-დოპირებული ბოჭკოსგან, როგორც ბრილუინის გაფანტვის მომატების საშუალება, დაბალი ზღურბლის და ვიწრო ხაზის სიგანის ლაზერის გამოსავლის მისაღებად.

ნახ. 2 (ა) SLC ბოჭკოვანი ლაზერის სქემატური ნახაზი;
(ბ) ჰეტეროდინის სიგნალის ხაზის ფორმა, რომელიც იზომება 97,6 კმ ბოჭკოვანი დაყოვნებით