ლაზერული წყაროს ტექნოლოგია ოპტიკური ბოჭკოვანი სენსორებისთვის, ნაწილი პირველი

ლაზერული წყაროს ტექნოლოგიაოპტიკური ბოჭკოპირველი ნაწილის შეგრძნება

ოპტიკურ-ბოჭკოვანი სენსორული ტექნოლოგია არის სენსორული ტექნოლოგიის სახეობა, რომელიც განვითარდა ოპტიკურ-ბოჭკოვან ტექნოლოგიასთან და ოპტიკურ-ბოჭკოვანი საკომუნიკაციო ტექნოლოგიასთან ერთად და გახდა ფოტოელექტრული ტექნოლოგიის ერთ-ერთი ყველაზე აქტიური დარგი. ოპტიკურ-ბოჭკოვანი სენსორული სისტემა ძირითადად შედგება ლაზერის, გადამცემი ბოჭკოს, სენსორული ელემენტის ან მოდულაციის არეალის, სინათლის აღმოჩენისა და სხვა ნაწილებისგან. სინათლის ტალღის მახასიათებლების აღმწერი პარამეტრებია ინტენსივობა, ტალღის სიგრძე, ფაზა, პოლარიზაციის მდგომარეობა და ა.შ. ეს პარამეტრები შეიძლება შეიცვალოს ოპტიკურ-ბოჭკოვანი გადაცემის გარე გავლენებით. მაგალითად, როდესაც ტემპერატურა, დეფორმაცია, წნევა, დენი, გადაადგილება, ვიბრაცია, ბრუნვა, მოხრა და ქიმიური რაოდენობა გავლენას ახდენს ოპტიკურ გზაზე, ეს პარამეტრები შესაბამისად იცვლება. ოპტიკურ-ბოჭკოვანი სენსორული სისტემა ეფუძნება ამ პარამეტრებსა და გარე ფაქტორებს შორის კავშირს შესაბამისი ფიზიკური სიდიდეების აღმოსაჩენად.

არსებობს მრავალი სახეობალაზერული წყაროგამოიყენება ოპტიკურ-ბოჭკოვანი სენსორულ სისტემებში, რომლებიც შეიძლება დაიყოს ორ კატეგორიად: კოჰერენტულილაზერული წყაროებიდა არათანმიმდევრული სინათლის წყაროები, არათანმიმდევრულისინათლის წყაროებიძირითადად მოიცავს ინკანდესენტურ და სინათლის გამოსხივების დიოდებს, ხოლო კოჰერენტული სინათლის წყაროებია მყარი ლაზერები, თხევადი ლაზერები, გაზის ლაზერები,ნახევარგამტარული ლაზერიდაბოჭკოვანი ლაზერიშემდეგი ძირითადად განკუთვნილიალაზერული სინათლის წყარობოლო წლებში ბოჭკოვანი ზონდირების სფეროში ფართოდ გამოიყენება: ვიწრო ხაზის სიგანის ერთსიხშირიანი ლაზერი, ერთტალღოვანი სრიალის სიხშირის ლაზერი და თეთრი ლაზერი.

1.1 ვიწრო ხაზის სიგანის მოთხოვნებილაზერული სინათლის წყაროები

ოპტიკურ-ბოჭკოვანი სენსორული სისტემა ლაზერული წყაროსგან გამოყოფა შეუძლებელია, რადგან გაზომილი სიგნალის გადამტანი სინათლის ტალღა, თავად ლაზერული სინათლის წყაროს მუშაობა, როგორიცაა სიმძლავრის სტაბილურობა, ლაზერული ხაზის სიგანე, ფაზური ხმაური და სხვა პარამეტრები ოპტიკურ-ბოჭკოვანი სენსორული სისტემის აღმოჩენის მანძილზე, აღმოჩენის სიზუსტე, მგრძნობელობა და ხმაურის მახასიათებლები გადამწყვეტ როლს თამაშობს. ბოლო წლებში, დიდ მანძილზე ულტრამაღალი გარჩევადობის ოპტიკურ-ბოჭკოვანი სენსორული სისტემების განვითარებასთან ერთად, აკადემიურმა წრეებმა და ინდუსტრიამ ლაზერული მინიატურიზაციის ხაზის სიგანის მუშაობისთვის უფრო მკაცრი მოთხოვნები წამოაყენეს, ძირითადად შემდეგ სფეროებში: ოპტიკური სიხშირის დომენის არეკვლის (OFDR) ტექნოლოგია იყენებს კოჰერენტულ დეტექციის ტექნოლოგიას ოპტიკური ბოჭკოების უკუსხივური გაბნეული სიგნალების სიხშირის დომენში გასაანალიზებლად, ფართო დაფარვით (ათასობით მეტრი). მაღალი გარჩევადობის (მილიმეტრის დონის გარჩევადობა) და მაღალი მგრძნობელობის (-100 დბმ-მდე) უპირატესობები გახდა ერთ-ერთი ტექნოლოგია, რომელსაც ფართო გამოყენების პერსპექტივები აქვს განაწილებული ოპტიკურ-ბოჭკოვანი გაზომვისა და სენსორული ტექნოლოგიების სფეროში. OFDR ტექნოლოგიის ძირითადი მიზანია რეგულირებადი სინათლის წყაროს გამოყენება ოპტიკური სიხშირის რეგულირების მისაღწევად, ამიტომ ლაზერული წყაროს მუშაობა განსაზღვრავს ისეთ ძირითად ფაქტორებს, როგორიცაა OFDR აღმოჩენის დიაპაზონი, მგრძნობელობა და გარჩევადობა. როდესაც არეკვლის წერტილის მანძილი კოჰერენტულ სიგრძესთან ახლოსაა, დარტყმითი სიგნალის ინტენსივობა ექსპონენციალურად შესუსტდება τ/τc კოეფიციენტით. სპექტრული ფორმის გაუსის სინათლის წყაროსთვის, იმისათვის, რომ უზრუნველყოფილი იყოს დარტყმითი სიხშირის ხილვადობა 90%-ზე მეტი, სინათლის წყაროს ხაზის სიგანესა და სისტემის მიერ მიღწეულ მაქსიმალურ სენსორულ სიგრძეს შორის დამოკიდებულებაა Lmax~0.04vg/f, რაც ნიშნავს, რომ 80 კმ სიგრძის ბოჭკოსთვის, სინათლის წყაროს ხაზის სიგანე 100 ჰც-ზე ნაკლებია. გარდა ამისა, სხვა აპლიკაციების განვითარებამ ასევე წამოაყენა უფრო მაღალი მოთხოვნები სინათლის წყაროს ხაზის სიგანესთან დაკავშირებით. მაგალითად, ოპტიკურ-ბოჭკოვანი ჰიდროფონის სისტემაში, სინათლის წყაროს ხაზის სიგანე განსაზღვრავს სისტემის ხმაურს და ასევე განსაზღვრავს სისტემის მინიმალურ გაზომვად სიგნალს. ბრილუენის ოპტიკურ დროის დომენის რეფლექტორში (BOTDR), ტემპერატურისა და დაძაბულობის გაზომვის გარჩევადობა ძირითადად განისაზღვრება სინათლის წყაროს ხაზის სიგანით. რეზონატორულ-ბოჭკოვანი ოპტიკურ გიროსკოპში, სინათლის ტალღის კოჰერენტული სიგრძის გაზრდა შესაძლებელია სინათლის წყაროს ხაზის სიგანის შემცირებით, რითაც გაუმჯობესდება რეზონატორის სიწვრე და რეზონანსის სიღრმე, შემცირდება რეზონატორის ხაზის სიგანე და უზრუნველყოფილი იქნება ბოჭკოვანი გიროსკოპულის გაზომვის სიზუსტე.

1.2 მოთხოვნები სვინგის ლაზერული წყაროების მიმართ

ერთტალღოვანი ლაზერის ტალღის სიგრძის მოქნილი რეგულირების მახასიათებლები აქვს, შეუძლია ჩაანაცვლოს მრავალჯერადი გამომავალი ფიქსირებული ტალღის სიგრძის ლაზერები, შეამციროს სისტემის აგების ღირებულება და წარმოადგენს ოპტიკურ-ბოჭკოვანი სენსორული სისტემის შეუცვლელ ნაწილს. მაგალითად, კვალი გაზის ბოჭკოვანი სენსორული სისტემის დროს, სხვადასხვა სახის გაზებს აქვთ გაზის შთანთქმის განსხვავებული პიკები. სინათლის შთანთქმის ეფექტურობის უზრუნველსაყოფად, როდესაც საზომი გაზი საკმარისია და მიღწეულია გაზომვის უფრო მაღალი მგრძნობელობა, აუცილებელია გადამცემი სინათლის წყაროს ტალღის სიგრძის გასწორება გაზის მოლეკულის შთანთქმის პიკთან. აღმოსაჩენი გაზის ტიპი არსებითად განისაზღვრება სენსორული სინათლის წყაროს ტალღის სიგრძით. ამიტომ, ვიწრო ხაზის სიგანის ლაზერებს სტაბილური ფართოზოლოვანი რეგულირების მახასიათებლებით აქვთ უფრო მაღალი გაზომვის მოქნილობა ასეთ სენსორულ სისტემებში. მაგალითად, ზოგიერთ განაწილებულ ოპტიკურ-ბოჭკოვანი სენსორულ სისტემაში, რომელიც დაფუძნებულია ოპტიკური სიხშირის დომენის არეკვლაზე, ლაზერი საჭიროებს სწრაფად პერიოდულად რეგულირებას, რათა მიღწეულ იქნას ოპტიკური სიგნალების მაღალი სიზუსტის კოჰერენტული აღმოჩენა და დემოდულაცია, ამიტომ ლაზერული წყაროს მოდულაციის სიჩქარეს შედარებით მაღალი მოთხოვნები აქვს და რეგულირებადი ლაზერის რეგულირების სიჩქარე, როგორც წესი, უნდა მიაღწიოს 10 pm/μs-ს. 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 სენსორულ სფეროებში. ბოჭკოვანი სენსორების სფეროში ერთტალღოვანი ლაზერების რეგულირების გამტარობის, რეგულირების სიზუსტისა და რეგულირების სიჩქარის მაღალი ხარისხის პარამეტრების მოთხოვნების დასაკმაყოფილებლად, ბოლო წლებში რეგულირებადი ვიწრო სიგანის ბოჭკოვანი ლაზერების შესწავლის საერთო მიზანია მაღალი სიზუსტის რეგულირების მიღწევა უფრო დიდ ტალღის სიგრძეში ულტრავიწრო ლაზერული ხაზის სიგანის, ულტრადაბალი ფაზური ხმაურის და ულტრასტაბილური გამომავალი სიხშირისა და სიმძლავრის კვლევის საფუძველზე.

1.3 თეთრი ლაზერული სინათლის წყაროს მოთხოვნა

ოპტიკური სენსორების 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-ბოჭკოვანი სენსორების სისტემაში. მაგალითად, სენსორული ქსელის ასაშენებლად ბოჭკოვანი ბრაგის ბადის (FBG) გამოყენებისას, დემოდულაციისთვის შეიძლება გამოყენებულ იქნას სპექტრული ანალიზი ან რეგულირებადი ფილტრის შესაბამისობის მეთოდი. პირველი იყენებდა სპექტრომეტრს ქსელში თითოეული FBG რეზონანსული ტალღის სიგრძის პირდაპირ შესამოწმებლად. მეორე იყენებს საცნობარო ფილტრს სენსორში FBG-ის თვალყურის დევნებისა და კალიბრაციისთვის, ორივე შემთხვევაში საჭიროა ფართოზოლოვანი სინათლის წყარო, როგორც FBG-ის სატესტო სინათლის წყარო. იმის გამო, რომ თითოეულ FBG წვდომის ქსელს ექნება გარკვეული ჩასმის დანაკარგი და 0.1 ნმ-ზე მეტი გამტარობა, მრავალი FBG-ის ერთდროული დემოდულაცია მოითხოვს ფართოზოლოვანი სინათლის წყაროს მაღალი სიმძლავრით და მაღალი გამტარობით. მაგალითად, როდესაც გამოიყენება ხანგრძლივი პერიოდის ბოჭკოვანი ბადე (LPFG) სენსორებისთვის, რადგან ერთი დანაკარგის პიკის გამტარობა დაახლოებით 10 ნმ-ია, საჭიროა ფართო სპექტრის სინათლის წყარო საკმარისი გამტარობით და შედარებით ბრტყელი სპექტრით მისი რეზონანსული პიკის მახასიათებლების ზუსტად დასახასიათებლად. კერძოდ, აკუსტიკური ბოჭკოვანი ბადე (AIFG), რომელიც აგებულია აკუსტოპტიკური ეფექტის გამოყენებით, შეუძლია მიაღწიოს რეზონანსული ტალღის სიგრძის რეგულირების დიაპაზონს 1000 ნმ-მდე ელექტრული რეგულირების საშუალებით. ამიტომ, დინამიური ბადე ტესტირება ასეთი ულტრაფართო რეგულირების დიაპაზონით დიდ გამოწვევას უქმნის ფართო სპექტრის სინათლის წყაროს გამტარობის დიაპაზონს. ანალოგიურად, ბოლო წლებში, დახრილი ბრაგის ბოჭკოვანი ბადე ასევე ფართოდ გამოიყენება ბოჭკოვანი სენსორების სფეროში. მისი მრავალპიკური დანაკარგის სპექტრის მახასიათებლების გამო, ტალღის სიგრძის განაწილების დიაპაზონი ჩვეულებრივ შეიძლება მიაღწიოს 40 ნმ-ს. მისი სენსორული მექანიზმი, როგორც წესი, მრავალჯერადი გადაცემის პიკებს შორის ფარდობითი მოძრაობის შედარებაა, ამიტომ აუცილებელია მისი გადაცემის სპექტრის სრულად გაზომვა. ფართო სპექტრის სინათლის წყაროს გამტარობა და სიმძლავრე უფრო მაღალი უნდა იყოს.

2. კვლევის სტატუსი ქვეყნის შიგნით და საზღვარგარეთ

2.1 ვიწრო ხაზის სიგანის ლაზერული სინათლის წყარო

2.1.1 ვიწრო ხაზის სიგანის ნახევარგამტარული განაწილებული უკუკავშირის ლაზერი

2006 წელს კლიშმა და სხვებმა შეამცირეს ნახევარგამტარული სქემის MHz შკალა.DFB ლაზერი(განაწილებული უკუკავშირის ლაზერი) კჰც მასშტაბამდე ელექტრული უკუკავშირის მეთოდის გამოყენებით; 2011 წელს კესლერმა და სხვებმა გამოიყენეს დაბალი ტემპერატურისა და მაღალი სტაბილურობის მონოკრისტალური ღრუ აქტიური უკუკავშირის კონტროლთან ერთად, რათა მიეღოთ ულტრავიწრო ხაზის სიგანის ლაზერული გამომავალი 40 MHz; 2013 წელს პენგმა და სხვებმა მიიღეს ნახევარგამტარული ლაზერული გამომავალი 15 კჰც ხაზის სიგანით გარე ფაბრი-პეროს (FP) უკუკავშირის რეგულირების მეთოდის გამოყენებით. ელექტრული უკუკავშირის მეთოდი ძირითადად იყენებდა პონდ-დრევერ-ჰოლის სიხშირის სტაბილიზაციის უკუკავშირს, რათა შემცირებულიყო სინათლის წყაროს ლაზერული ხაზის სიგანე. 2010 წელს ბერნჰარდიმ და სხვებმა სილიციუმის ოქსიდის სუბსტრატზე წარმოადგინეს 1 სმ ერბიუმის დოპირებული ალუმინის ოქსიდის ოქსიდის სუბსტრატზე, რათა მიეღოთ ლაზერული გამომავალი დაახლოებით 1.7 კჰც ხაზის სიგანით. იმავე წელს ლიანგმა და სხვებმა... გამოყენებული იქნა მაღალი Q ექოს კედლის რეზონატორის მიერ წარმოქმნილი უკუშებრუნებული რელეის გაფანტვის თვითინექციური უკუკავშირი ნახევარგამტარული ლაზერული ხაზის სიგანის შეკუმშვისთვის, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზ 1-ში, და საბოლოოდ მიიღეს ვიწრო ხაზის სიგანის ლაზერული გამომავალი 160 ჰც.

სურ. 1 (ა) ნახევარგამტარული ლაზერის ხაზის სიგანის შეკუმშვის დიაგრამა, რომელიც დაფუძნებულია გარე ჩურჩულიანი გალერეის რეჟიმის რეზონატორის თვითინექციის რელეის გაფანტვაზე;
(ბ) 8 MHz ხაზის სიგანის მქონე თავისუფლად მოძრავი ნახევარგამტარული ლაზერის სიხშირული სპექტრი;
(გ) ლაზერის სიხშირული სპექტრი 160 ჰც-მდე შეკუმშული ხაზის სიგანით
2.1.2 ვიწრო ხაზის სიგანის ბოჭკოვანი ლაზერი

ხაზოვანი ღრუს ბოჭკოვანი ლაზერებისთვის, ერთი გრძივი რეჟიმის ვიწრო ხაზის სიგანის ლაზერული გამომავალი მიიღება რეზონატორის სიგრძის შემოკლებით და გრძივი რეჟიმის ინტერვალის გაზრდით. 2004 წელს, შპიგელბერგმა და სხვებმა მიიღეს ერთი გრძივი რეჟიმის ვიწრო ხაზის სიგანის ლაზერული გამომავალი 2 კჰც ხაზის სიგანით, DBR მოკლე ღრუს მეთოდის გამოყენებით. 2007 წელს, შენმა და სხვებმა გამოიყენეს 2 სმ-იანი ძლიერ ერბიუმით დოპირებული სილიციუმის ბოჭკო, რათა ჩაეწერათ FBG Bi-Ge კოდოპირებულ ფოტომგრძნობიარე ბოჭკოზე და შეურიეს ის აქტიურ ბოჭკოს კომპაქტური ხაზოვანი ღრუს შესაქმნელად, რამაც მისი ლაზერული გამომავალი ხაზის სიგანე 1 კჰც-ზე ნაკლები გახადა. 2010 წელს, იანგმა და სხვებმა გამოიყენეს 2 სმ-იანი ძლიერ დოპირებული მოკლე ხაზოვანი ღრუ, კომბინირებული ვიწროზოლოვან FBG ფილტრთან, რათა მიეღოთ ერთი გრძივი რეჟიმის ლაზერული გამომავალი, 2 კჰც-ზე ნაკლები ხაზის სიგანით. 2014 წელს, გუნდმა გამოიყენა მოკლე წრფივი ღრუ (ვირტუალური დაკეცილი რგოლისეზონატორი) FBG-FP ფილტრთან ერთად, რათა მიეღოთ უფრო ვიწრო ხაზის სიგანის ლაზერული გამომავალი, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზ 3-ზე. 2012 წელს, კაიმ და სხვებმა გამოიყენეს 1.4 სმ მოკლე ღრუს სტრუქტურა, რათა მიეღოთ პოლარიზებული ლაზერული გამომავალი, რომლის გამომავალი სიმძლავრე 114 მვტ-ზე მეტია, ცენტრალური ტალღის სიგრძე 1540.3 ნმ და ხაზის სიგანე 4.1 კჰც. 2013 წელს, მენგმა და სხვებმა გამოიყენეს ერბიუმით დოპირებული ბოჭკოს ბრილუინის გაფანტვა სრული გადახრის შემანარჩუნებელი მოწყობილობის მოკლე რგოლისებრი ღრუთი, რათა მიეღოთ ერთგრძივი რეჟიმის, დაბალი ფაზის ხმაურის ლაზერული გამომავალი 10 მვტ გამომავალი სიმძლავრით. 2015 წელს, გუნდმა გამოიყენა 45 სმ ერბიუმით დოპირებული ბოჭკოსგან შემდგარი რგოლის ღრუ, როგორც ბრილუინის გაფანტვის გამაძლიერებელი საშუალება, რათა მიეღოთ დაბალი ზღურბლის და ვიწრო ხაზის სიგანის ლაზერული გამომავალი.

სურ. 2 (ა) SLC ბოჭკოვანი ლაზერის სქემატური ნახაზი;
(ბ) ჰეტეროდინური სიგნალის ხაზის ფორმა, გაზომილი 97.6 კმ ბოჭკოვანი დაყოვნებით