ლაზერული წყაროს ტექნოლოგია ოპტიკური ბოჭკოვანი სენსორული ნაწილი პირველი ნაწილი

ლაზერული წყაროს ტექნოლოგიაოპტიკური ბოჭკოვანიშეგრძნება პირველი ნაწილი

ოპტიკური ბოჭკოვანი სენსორული ტექნოლოგია არის ერთგვარი სენსორული ტექნოლოგია, რომელიც შემუშავებულია ოპტიკურ ბოჭკოვან ტექნოლოგიასთან და ოპტიკურ ბოჭკოვან საკომუნიკაციო ტექნოლოგიასთან ერთად და იგი გახდა ფოტოელექტრული ტექნოლოგიის ერთ -ერთი ყველაზე აქტიური ფილიალი. ოპტიკური ბოჭკოვანი სენსორული სისტემა ძირითადად შედგება ლაზერის, გადამცემი ბოჭკოს, სენსორული ელემენტის ან მოდულაციის არეალისგან, მსუბუქი გამოვლენის და სხვა ნაწილებისგან. პარამეტრები, რომლებიც აღწერს მსუბუქი ტალღის მახასიათებლებს, მოიცავს ინტენსივობას, ტალღის სიგრძეს, ფაზას, პოლარიზაციის მდგომარეობას და ა.შ., ეს პარამეტრები შეიძლება შეიცვალოს გარე გავლენებით ოპტიკური ბოჭკოვანი გადაცემის დროს. მაგალითად, როდესაც ტემპერატურა, დაძაბვა, წნევა, დენი, გადაადგილება, ვიბრაცია, როტაცია, მომატება და ქიმიური რაოდენობა გავლენას ახდენს ოპტიკურ გზაზე, ეს პარამეტრები შესაბამისად იცვლება. ოპტიკური ბოჭკოვანი შეგრძნება ემყარება ამ პარამეტრებს შორის ურთიერთკავშირს და გარე ფაქტორებს შორის შესაბამისი ფიზიკური რაოდენობების გამოსავლენად.

არსებობს მრავალი ტიპილაზერული წყაროგამოიყენება ოპტიკური ბოჭკოვანი სენსორული სისტემებში, რომელიც შეიძლება დაიყოს ორ კატეგორიად: თანმიმდევრულილაზერული წყაროებიდა არათანმიმდევრული სინათლის წყაროები, არათანმიმდევრულიმსუბუქი წყაროებიძირითადად მოიცავს ინკანდესენტური მსუბუქი და მსუბუქი გამონაყარის დიოდებს, ხოლო თანმიმდევრული შუქის წყაროებში შედის მყარი ლაზერები, თხევადი ლაზერები, გაზის ლაზერები,ნახევარგამტარული ლაზერიდაბოჭკოვანი ლაზერი. ქვემოთ მოცემულია ძირითადადლაზერული შუქის წყაროფართოდ გამოიყენება ბოჭკოვანი სენსორული სფეროში ბოლო წლების განმავლობაში: ვიწრო ხაზის სიგანე ერთჯერადი სიხშირის ლაზერი, ერთჯერადი ტალღის სიგრძის სიხშირის ლაზერი და თეთრი ლაზერი.

1.1 მოთხოვნები ვიწრო ხაზისთვისლაზერული შუქის წყაროები

ოპტიკური ბოჭკოვანი სენსორული სისტემა არ შეიძლება განცალკევდეს ლაზერული წყაროსგან, რადგან გაზომილი სიგნალის გადამზიდავი მსუბუქი ტალღა, ლაზერული შუქის წყაროს შესრულება, როგორიცაა ენერგიის სტაბილურობა, ლაზერული ხაზის ხაზი, ფაზის ხმაური და სხვა პარამეტრები ოპტიკური ბოჭკოვანი სენსორული სისტემის გამოვლენის მანძილზე, გამოვლენის სიზუსტეზე, სენსიტიურობასა და ხმაურის მახასიათებლებზე. ბოლო წლების განმავლობაში, დიდი ხნის მანძილზე ულტრა მაღალი რეზოლუციის ოპტიკური ბოჭკოვანი სენსორული სისტემების შემუშავებით, აკადემიამ და ინდუსტრიამ წამოაყენეს უფრო მკაცრი მოთხოვნები ლაზერული მინიატურაციის ხაზის შესრულებისთვის, ძირითადად: ოპტიკური სიხშირის დომენის ანარეკლი (OFDR) ტექნოლოგია იყენებს თანმიმდევრული გამოვლენის ტექნოლოგიას, რომ გაანალიზოს ზურგჩანთა სიხშირე, რომელიც ახდენს ზურგჩანთას (ათასობით დომენში. მეტრი). მაღალი რეზოლუციის (მილიმეტრი დონის გარჩევადობა) და მაღალი მგრძნობელობის უპირატესობები (მდე -100 დბმ -მდე) გახდა ერთ -ერთი ტექნოლოგია, რომელსაც აქვს ფართო გამოყენების პერსპექტივა განაწილებული ოპტიკური ბოჭკოვანი გაზომვისა და სენსორული ტექნოლოგიაში. OFDR ტექნოლოგიის ბირთვი არის ოპტიკური სიხშირის შერწყმის მისაღწევად, ლაზერული წყაროს შესრულება განსაზღვრავს მნიშვნელოვან ფაქტორებს, როგორიცაა OFDR გამოვლენის დიაპაზონი, მგრძნობელობა და რეზოლუცია. როდესაც ასახვის წერტილის მანძილი ახლოს არის თანმიმდევრულობის სიგრძესთან, სცემეს სიგნალის ინტენსივობა ექსპონენტურად შემცირდება კოეფიციენტით τ/τc. გაუსური შუქის წყაროსთვის, რომელსაც აქვს სპექტრული ფორმა, იმის უზრუნველსაყოფად, რომ სცემეს სიხშირე 90% -ზე მეტ ხილვადობას, ურთიერთობა სინათლის წყაროს ხაზს შორის და მაქსიმალური სენსორული სიგრძე, რომელსაც სისტემის მიღწევა შეუძლია, არის LMAX ~ 0.04VG/F, რაც ნიშნავს, რომ 80 კმ სიგრძით ბოჭკოსთვის, ხაზის სიგანე ნაკლებია 100 ჰზზე. გარდა ამისა, სხვა პროგრამების შემუშავებამ ასევე გამოიწვია უფრო მაღალი მოთხოვნები შუქის წყაროს ხაზის ხაზისთვის. მაგალითად, ოპტიკური ბოჭკოვანი ჰიდროფონის სისტემაში, სინათლის წყაროს ხაზს განსაზღვრავს სისტემის ხმაური და ასევე განსაზღვრავს სისტემის მინიმალურ გაზომვადი სიგნალი. Brillouin ოპტიკური დროის დომენის რეფლექტორში (BOTDR), ტემპერატურისა და სტრესის გაზომვის რეზოლუცია ძირითადად განისაზღვრება სინათლის წყაროს ხაზით. რეზონატორის ბოჭკოვანი გიროში, სინათლის ტალღის თანმიმდევრულობის სიგრძე შეიძლება გაიზარდოს სინათლის წყაროს ხაზის სიგანის შემცირებით, რითაც გაუმჯობესდეს რეზონატორის სისრულე და რეზონანსული სიღრმე, შეამციროს რეზონატორის ხაზის სიგანე და უზრუნველყოს ბოჭკოვანი გიროს გაზომვის სიზუსტე.

1.2 მოთხოვნები ლაზერული წყაროებისათვის

ერთჯერადი ტალღის სიგრძის ლაზერს აქვს მოქნილი ტალღის სიგრძის შერწყმის შესრულება, შეუძლია შეცვალოს მრავალჯერადი გამომავალი ფიქსირებული ტალღის სიგრძის ლაზერები, შეამციროს სისტემის მშენებლობის ღირებულება, არის ოპტიკური ბოჭკოვანი სენსორული სისტემის შეუცვლელი ნაწილი. მაგალითად, კვალი გაზის ბოჭკოვანი შეგრძნებისას, სხვადასხვა სახის გაზებს აქვთ გაზის შთანთქმის სხვადასხვა მწვერვალები. იმისათვის, რომ უზრუნველყოს მსუბუქი შეწოვის ეფექტურობა, როდესაც გაზომვის გაზი საკმარისია და უფრო მაღალი გაზომვის მგრძნობელობას მიაღწევს, აუცილებელია გადაცემის მსუბუქი წყაროს ტალღის სიგრძის გასწორება გაზის მოლეკულის შთანთქმის მწვერვალთან. გაზის ტიპი, რომელიც შეიძლება გამოვლინდეს, არსებითად განისაზღვრება სენსორული შუქის წყაროს ტალღის სიგრძით. ამრიგად, ვიწრო ხაზის ლაზერებს, რომლებსაც აქვთ სტაბილური ფართოზოლოვანი ჯგუფების შესრულება, აქვთ უფრო მაღალი გაზომვის მოქნილობა ასეთ სენსორულ სისტემებში. მაგალითად, ოპტიკური სიხშირის დომენის ასახვის საფუძველზე დაფუძნებული ოპტიკური ბოჭკოვანი სენსორული სისტემის ზოგიერთ ნაწილში, ლაზერი სწრაფად უნდა მოხდეს პერიოდულად, რათა მიაღწიოს მაღალი სიზუსტით თანმიმდევრული გამოვლენას და ოპტიკური სიგნალების დემოდულაციას, ამიტომ ლაზერული წყაროს მოდულაციის სიჩქარეს აქვს შედარებით მაღალი მოთხოვნები, ხოლო რეგულირებადი ლაზერის სვამური სიჩქარე საჭიროა 10 საათზე/μs. გარდა ამისა, ტალღის სიგრძის tunable ვიწრო ხაზის ლაზერი ასევე შეიძლება ფართოდ იქნას გამოყენებული LiDAR, ლაზერული დისტანციური სენსორული და მაღალი რეზოლუციის სპექტრული ანალიზით და სხვა სენსორული ველებში. იმისათვის, რომ დააკმაყოფილოს გამტარობის სიჩქარის მაღალი ხარისხის პარამეტრების მოთხოვნები, ერთჯერადი ტალღის სიგრძის ლაზერების სიზუსტის სიზუსტე და შერწყმის სიჩქარე ბოჭკოვანი სენსორული სფეროში, ბოლო წლების განმავლობაში შეისწავლოს ვიწრო სიგანის ლაზერების შესწავლა, რომ მიაღწიოს მაღალი სიგრძის შერწყმას უფრო დიდი ტალღის სიგრძისა და ულტრაიისფერი ფაზის ფაზის ლაზის ლაზის საფუძველზე. ულტრა სტაბილური გამომავალი სიხშირე და ენერგია.

1.3 მოთხოვნა თეთრი ლაზერული შუქის წყაროსთვის

ოპტიკური ზონდირების სფეროში, მაღალი ხარისხის თეთრი შუქის ლაზერს დიდი მნიშვნელობა აქვს სისტემის მუშაობის გასაუმჯობესებლად. უფრო ფართო სპექტრის დაფარვა თეთრი შუქის ლაზერისგან, მით უფრო ვრცელი მისი გამოყენება ოპტიკური ბოჭკოვანი სენსორული სისტემაში. მაგალითად, სენსორული ქსელის ასაშენებლად ბოჭკოვანი Bragg Grating (FBG) გამოყენებისას, სპექტრული ანალიზი ან ფილტრის შესატყვისი მეთოდი შეიძლება გამოყენებულ იქნას დემოდულაციისთვის. პირველმა გამოიყენა სპექტრომეტრი, რომ პირდაპირ შეამოწმოს თითოეული FBG რეზონანსული ტალღის სიგრძე ქსელში. ეს უკანასკნელი იყენებს საცნობარო ფილტრს FBG– ს თვალყურის დევნისა და კალიბრისთვის, ორივე მათგანი მოითხოვს ფართოზოლოვანი შუქის წყაროს, როგორც FBG– ს ტესტის შუქის წყაროს. იმის გამო, რომ თითოეულ FBG– ს წვდომის ქსელს ექნება გარკვეული შეყვანის დაკარგვა და აქვს 0,1 ნმ -ზე მეტი სიჩქარე, მრავალჯერადი FBG– ს ერთდროული დემოდულაცია მოითხოვს ფართოზოლოვანი შუქის წყაროს მაღალი სიმძლავრით და მაღალი სიჩქარით. მაგალითად, გრძივი პერიოდის ბოჭკოვანი გრეხვის (LPFG) გამოყენებისას, რადგან ერთი ზარალის მწვერვალის სიჩქარე 10 ნმ -ით არის, ფართო სპექტრის შუქის წყარო, საკმარისი სიჩქარით და შედარებით ბრტყელი სპექტრით, საჭიროა მისი რეზონანსული მწვერვალის მახასიათებლების ზუსტად დახასიათება. კერძოდ, აკუსტო-ოპტიკური ეფექტის გამოყენებით აშენებული აკუსტიკური ბოჭკოვანი გრეხილი (AIFG), რომელსაც შეუძლია მიაღწიოს რეზონანსული ტალღის სიგრძის 1000 ნმ-მდე, ელექტრული დარეგულირების საშუალებით. ამრიგად, დინამიური გრუნტის ტესტირება ასეთი ულტრა მასშტაბის დიაპაზონით დიდ გამოწვევას წარმოადგენს ფართო სპექტრის შუქის წყაროს სიჩქარის დიაპაზონში. ანალოგიურად, ბოლო წლების განმავლობაში, დახრილი Bragg ბოჭკოვანი grating ასევე ფართოდ იქნა გამოყენებული ბოჭკოვანი სენსორული სფეროში. მისი მრავალფეროვანი დაკარგვის სპექტრის მახასიათებლების გამო, ტალღის სიგრძის განაწილების დიაპაზონი ჩვეულებრივ შეიძლება მიაღწიოს 40 ნმ. მისი სენსორული მექანიზმი, როგორც წესი, შედარებულია ფარდობითი მოძრაობის მრავალჯერადი გადაცემის მწვერვალებს შორის, ამიტომ აუცილებელია მისი გადაცემის სპექტრის სრულად გაზომვა. ფართო სპექტრის შუქის წყაროს სიჩქარესა და სიმძლავრე უფრო მაღალია.

2. კვლევის სტატუსი სახლში და მის ფარგლებს გარეთ

2.1 ვიწრო ხაზის ლაზერული სინათლის წყარო

2.1.1 ვიწრო ხაზის ნახევარგამტარული განაწილებული უკუკავშირის ლაზერი

2006 წელს, კლიშე და სხვ. შეამცირა ნახევარგამტარული MHZ მასშტაბიDFB ლაზერი(განაწილებული უკუკავშირის ლაზერი) KHz მასშტაბით ელექტრული უკუკავშირის მეთოდის გამოყენებით; 2011 წელს, კესლერი და სხვ. გამოყენებულია დაბალი ტემპერატურა და მაღალი სტაბილურობის ერთჯერადი ბროლის ღრუს კომბინირებული აქტიური უკუკავშირის კონტროლთან ერთად ულტრაიისფერი ხაზის ხაზის ლაზერული გამომავალი 40 MHz; 2013 წელს, პენგმა და სხვებმა მოიპოვეს ნახევარგამტარული ლაზერული გამომავალი, რომელზეც 15 კჰცჰცტს უშვებენ, გარე Fabry-Perot (FP) უკუკავშირის კორექტირების მეთოდით. ელექტრული უკუკავშირის მეთოდი ძირითადად იყენებდა აუზ-დრევრ-დარბაზის სიხშირის სტაბილიზაციის უკუკავშირს, რათა შემცირდეს სინათლის წყაროს ლაზერული ხაზოვანი. 2010 წელს, ბერნჰარდი და სხვ. წარმოებულია Erbium-Doped ალუმინის FBG 1 სმ სილიკონის ოქსიდის სუბსტრატზე, რათა მიიღოთ ლაზერული გამომავალი, რომლის ხაზის სიგანე დაახლოებით 1.7 kHz. იმავე წელს, ლიანგი და სხვ. გამოიყენეს ჩამორჩენილი Rayleigh გაფანტვის თვით-ინექციის უკუკავშირი, რომელიც ჩამოყალიბდა მაღალი Q ექოს კედლის რეზონატორის მიერ ნახევარგამტარული ლაზერული ხაზის სიგანის შეკუმშვისთვის, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზზე 1, და საბოლოოდ მოიპოვა ვიწრო ხაზის სიგანის ლაზერული გამომავალი 160 ჰც.

ნახ. 1 (ა) ნახევარგამტარული ლაზერული ხაზის შეკუმშვის დიაგრამა, რომელიც დაფუძნებულია თვით-ინექციის Rayleigh– ის გარე ჩურჩული გალერეის რეჟიმის რეზონატორის საფუძველზე;
(ბ) უფასო გაშვებული ნახევარგამტარული ლაზერის სიხშირის სპექტრი 8 MHz ხაზით;
(გ) ლაზერის სიხშირის სპექტრი ხაზის ხაზით შეკუმშული 160 ჰც -მდე
2.1.2 ვიწრო ხაზის ბოჭკოვანი ლაზერი

ხაზოვანი ღრუს ბოჭკოვანი ლაზერებისათვის, ერთჯერადი გრძივი რეჟიმის ვიწრო ხაზის ლაზერული გამომავალი მიიღება რეზონატორის სიგრძის შემცირებით და გრძივი რეჟიმის ინტერვალის გაზრდით. 2004 წელს, Spiegelberg et al. მოიპოვა ერთი გრძივი რეჟიმი ვიწრო ხაზის ლაზერული გამომავალი, რომელზეც 2 kHz ხაზით არის DBR მოკლე ღრუს მეთოდის გამოყენებით. 2007 წელს, Shen et al. გამოიყენეთ 2 სმ მძიმედ erbium doped სილიკონის ბოჭკოვანი, რომ დაწეროთ FBG Bi-Ge– ს თანადაფინანსებულ ფოტოსენსიტიურ ბოჭკზე და აერთიანებს მას აქტიური ბოჭკოსთან, რათა შექმნათ კომპაქტური ხაზოვანი ღრუს, რითაც მისი ლაზერული გამომავალი ხაზის სიგანე 1 kHz– ზე ნაკლებია. 2010 წელს, Yang et al. გამოიყენეთ 2cm მაღალ დოპირებული მოკლე ხაზოვანი ღრუ, რომელიც შერწყმულია ვიწრო FBG ფილტრთან, რათა მიიღოთ ერთი გრძივი რეჟიმის ლაზერული გამომავალი, ხაზის სიგანე 2 kHz– ზე ნაკლები. 2014 წელს გუნდმა გამოიყენა მოკლე ხაზოვანი ღრუ (ვირტუალური დასაკეცი რგოლის რეზონატორი) FBG-FP ფილტრით, ლაზერული გამომავალი ვიწრო ხაზის სიგანე, როგორც ეს მოცემულია ნახაზში 3. 2012 წელს, Cai et al. გამოიყენეს 1.4 სმ მოკლე ღრუს სტრუქტურა პოლარიზებული ლაზერის გამომუშავების მისაღებად, გამომავალი სიმძლავრით, ვიდრე 114 მგვტ -ზე მეტი, ცენტრალური ტალღის სიგრძე 1540.3 ნმ და ხაზის სიგანე 4.1 kHz. 2013 წელს, Meng et al. Erbium-doped ბოჭკოს გამოყენებული Brillouin გაფანტვა სრული მიკერძოებული მოწყობილობის მოკლე რგოლის ღრუში, რათა მიიღოთ ერთჯერადი ლონგუციური რეჟიმი, დაბალი ფაზის ხმაურის ლაზერული გამომავალი, რომლის გამომავალი სიმძლავრეა 10 მგვტ. 2015 წელს გუნდმა გამოიყენა რგოლის ღრუს, რომელიც შედგება 45 სმ ერბიუმის დოპ-დოპ-ბოჭკოებისგან, როგორც Brillouin გაფანტული მომატება საშუალო, რათა მიიღოთ დაბალი ბარიერი და ვიწრო ხაზის ლაზერული გამომავალი.

ნახ. 2 (ა) SLC ბოჭკოვანი ლაზერის სქემატური ნახაზი;
(ბ) ჰეტეროდინის სიგნალის ხაზგასმით იზომება 97.6 კმ ბოჭკოვანი შეფერხებით