Lazer manba texnologiyasi uchunoptik tolaBirinchi qismni sezish
Optik tolali sensorlar texnologiyasi - bu optik tolali texnologiya va optik tolali aloqa texnologiyasi bilan birgalikda ishlab chiqilgan bir turdagi sensorli texnologiya bo'lib, u fotoelektrik texnologiyaning eng faol tarmoqlaridan biriga aylandi. Optik tolali sensorlar tizimi asosan lazer, uzatish tolasi, sezgir element yoki modulyatsiya maydoni, yorug'likni aniqlash va boshqa qismlardan iborat. Yorug'lik to'lqinining xususiyatlarini tavsiflovchi parametrlar intensivlik, to'lqin uzunligi, faza, polarizatsiya holati va boshqalarni o'z ichiga oladi. Bu parametrlar optik tolali uzatishda tashqi ta'sirlar bilan o'zgarishi mumkin. Masalan, harorat, deformatsiya, bosim, oqim, siljish, tebranish, aylanish, egilish va kimyoviy miqdor optik yo'lga ta'sir qilganda, bu parametrlar mos ravishda o'zgaradi. Optik tolali zondlash mos keladigan jismoniy miqdorlarni aniqlash uchun ushbu parametrlar va tashqi omillar o'rtasidagi munosabatlarga asoslanadi.
Ko'p turlari mavjudlazer manbaiikki toifaga bo'linadigan optik tolali zondlash tizimlarida qo'llaniladi: kogerentlazer manbalariva uyg'un bo'lmagan yorug'lik manbalari, incogerentyorug'lik manbalariasosan cho'g'lanma yorug'lik va yorug'lik chiqaradigan diodlarni o'z ichiga oladi va kogerent yorug'lik manbalariga qattiq lazerlar, suyuq lazerlar, gaz lazerlari,yarimo'tkazgichli lazervatolali lazer. Quyidagilar asosan uchunlazer nuri manbaiso'nggi yillarda tolali zondlash sohasida keng qo'llanilgan: tor chiziqli kenglikdagi bitta chastotali lazer, bitta to'lqin uzunlikdagi supurish chastotali lazer va oq lazer.
1.1 Tor chiziq kengligi uchun talablarlazer nurlari manbalari
Optik tolali zondlash tizimini lazer manbasidan ajratib bo'lmaydi, chunki o'lchangan signal tashuvchisi yorug'lik to'lqini, lazer yorug'lik manbasining o'zi ishlashi, masalan, quvvat barqarorligi, lazer chizig'ining kengligi, faza shovqini va optik tolali sezgir tizimni aniqlash masofasi, aniqlash bo'yicha boshqa parametrlar aniqlik, sezgirlik va shovqin xususiyatlari hal qiluvchi rol o'ynaydi. So'nggi yillarda uzoq masofali ultra yuqori aniqlikdagi optik tolali zondlash tizimlarining rivojlanishi bilan akademiya va sanoat lazerni miniatyuralashtirishning chiziq kengligi ishlashi uchun yanada qat'iy talablarni ilgari surdi, asosan: optik chastotali domenni aks ettirish (OFDR) texnologiyasi izchil foydalanadi. keng qamrovli (minglab metr) chastotalar domenidagi optik tolalarning orqa chiziqli tarqoq signallarini tahlil qilish uchun aniqlash texnologiyasi. Yuqori aniqlik (millimetr darajasidagi rezolyutsiya) va yuqori sezuvchanlik (-100 dBm gacha) afzalliklari tarqalgan optik tolali o'lchash va sezish texnologiyasida keng qo'llash istiqbollariga ega bo'lgan texnologiyalardan biriga aylandi. OFDR texnologiyasining yadrosi optik chastotani sozlashga erishish uchun sozlanishi yorug'lik manbasidan foydalanishdir, shuning uchun lazer manbasining ishlashi OFDRni aniqlash diapazoni, sezgirlik va piksellar sonini kabi asosiy omillarni aniqlaydi. Ko'zgu nuqtasi masofasi kogerentlik uzunligiga yaqin bo'lsa, urish signalining intensivligi t/tc koeffitsienti bilan eksponent ravishda zaiflashadi. Spektral shaklga ega Gauss yorug'lik manbai uchun urish chastotasi 90% dan ortiq ko'rinishga ega bo'lishini ta'minlash uchun yorug'lik manbasining chiziq kengligi va tizim erisha oladigan maksimal sezish uzunligi o'rtasidagi bog'liqlik Lmax ~ 0,04vg ni tashkil qiladi. / f, ya'ni 80 km uzunlikdagi tola uchun yorug'lik manbasining chiziq kengligi 100 Gts dan kam. Bundan tashqari, boshqa ilovalarning rivojlanishi yorug'lik manbasining chiziqli kengligi uchun ham yuqori talablarni qo'yadi. Misol uchun, optik tolali gidrofon tizimida yorug'lik manbasining chiziq kengligi tizim shovqinini aniqlaydi, shuningdek, tizimning minimal o'lchanadigan signalini aniqlaydi. Brillouin optik vaqt domeni reflektorida (BOTDR) harorat va stressni o'lchash ruxsati asosan yorug'lik manbasining chiziq kengligi bilan belgilanadi. Rezonatorli optik tolali gyroda yorug'lik to'lqinining kogerentlik uzunligi yorug'lik manbasining chiziq kengligini kamaytirish, shu bilan rezonatorning nozikligi va rezonans chuqurligini yaxshilash, rezonatorning chiziq kengligini kamaytirish va o'lchashni ta'minlash orqali oshirilishi mumkin. optik tolali gyroning aniqligi.
1.2 Lazer manbalariga qo'yiladigan talablar
Yagona to'lqin uzunligini tozalash lazeri moslashuvchan to'lqin uzunligini sozlash ko'rsatkichiga ega, bir nechta chiqish sobit to'lqin uzunlikdagi lazerlarni almashtirishi mumkin, tizim qurilishi narxini pasaytiradi, optik tolali sensorlar tizimining ajralmas qismidir. Misol uchun, iz gaz tolasini aniqlashda har xil turdagi gazlar turli xil gazni yutish cho'qqilariga ega. O'lchov gazi etarli bo'lganda yorug'likning yutilish samaradorligini ta'minlash va yuqori o'lchov sezgirligiga erishish uchun uzatish yorug'lik manbasining to'lqin uzunligini gaz molekulasining yutilish cho'qqisiga moslashtirish kerak. Aniqlanishi mumkin bo'lgan gaz turi, asosan, sezuvchi yorug'lik manbasining to'lqin uzunligi bilan belgilanadi. Shu sababli, barqaror keng polosali sozlash ko'rsatkichiga ega tor chiziqli lazerlar bunday sezish tizimlarida yuqori o'lchov moslashuvchanligiga ega. Misol uchun, optik chastota domenini aks ettirishga asoslangan ba'zi bir tarqalgan optik tolali zondlash tizimlarida optik signallarni yuqori aniqlikdagi izchil aniqlash va demodulyatsiyaga erishish uchun lazerni vaqti-vaqti bilan tez surtish kerak, shuning uchun lazer manbasining modulyatsiya tezligi nisbatan yuqori talablarga ega. , va sozlanishi lazerning tozalash tezligi odatda 10 pm/ms ga yetishi uchun talab qilinadi. Bundan tashqari, to'lqin uzunligi sozlanishi tor chiziqli lazer ham liDAR, lazerni masofadan zondlash va yuqori aniqlikdagi spektral tahlil va boshqa sezish sohalarida keng qo'llanilishi mumkin. Tolalarni sezish sohasida bir to'lqinli uzunlikdagi lazerlarni sozlashning o'tkazish qobiliyati, sozlashning aniqligi va sozlash tezligining yuqori unumdorlik parametrlari talablarini qondirish uchun so'nggi yillarda sozlanishi tor kenglikdagi tolali lazerlarni o'rganishning umumiy maqsadi yuqori va yuqori rentabellikga erishishdir. ultra tor lazer liniyasi kengligi, o'ta past fazali shovqin va ultra barqaror chiqish chastotasi va quvvatini ta'qib qilish asosida kattaroq to'lqin uzunligi diapazonida aniq sozlash.
1.3 Oq lazer yorug'lik manbasiga talab
Optik zondlash sohasida yuqori sifatli oq yorug'lik lazeri tizimning ishlashini yaxshilash uchun katta ahamiyatga ega. Oq yorug'lik lazerining spektr qamrovi qanchalik keng bo'lsa, uning optik tolali sensorlar tizimida qo'llanilishi shunchalik keng bo'ladi. Misol uchun, sensor tarmog'ini qurish uchun tolali Bragg panjarasidan (FBG) foydalanilganda, demodulyatsiya uchun spektral tahlil yoki sozlanishi filtrni moslashtirish usuli qo'llanilishi mumkin. Birinchisi tarmoqdagi har bir FBG rezonans to'lqin uzunligini to'g'ridan-to'g'ri tekshirish uchun spektrometrdan foydalangan. Ikkinchisi sezgida FBG ni kuzatish va kalibrlash uchun mos yozuvlar filtridan foydalanadi, ularning ikkalasi ham FBG uchun sinov yorug'lik manbai sifatida keng polosali yorug'lik manbasini talab qiladi. Har bir FBG kirish tarmog'i ma'lum bir qo'shish yo'qotilishiga ega bo'lishi va 0,1 nm dan ortiq o'tkazish qobiliyatiga ega bo'lganligi sababli, bir nechta FBG ning bir vaqtning o'zida demodulyatsiyasi yuqori quvvat va yuqori tarmoqli kengligi bo'lgan keng polosali yorug'lik manbasini talab qiladi. Masalan, sezish uchun uzoq muddatli tolali panjaradan (LPFG) foydalanilganda, bitta yo'qotish cho'qqisining tarmoqli kengligi 10 nm bo'lganligi sababli, uning rezonansini aniq tavsiflash uchun etarli tarmoqli kengligi va nisbatan tekis spektrga ega bo'lgan keng spektrli yorug'lik manbai talab qilinadi. tepalik xususiyatlari. Xususan, akusto-optik effektdan foydalangan holda qurilgan akustik tolali panjara (AIFG) elektr sozlash yordamida 1000 nm gacha rezonans to'lqin uzunligini sozlash diapazoniga erishishi mumkin. Shu sababli, bunday ultra keng sozlash diapazoni bilan dinamik panjara sinovi keng spektrli yorug'lik manbasining tarmoqli kengligi diapazoniga katta qiyinchilik tug'diradi. Xuddi shunday, so'nggi yillarda egilgan Bragg tolali panjarasi ham tolani sezish sohasida keng qo'llanilgan. Ko'p tepalikli yo'qotish spektrining xususiyatlari tufayli to'lqin uzunligining tarqalish diapazoni odatda 40 nm ga yetishi mumkin. Uning sezish mexanizmi odatda bir nechta uzatish cho'qqilari orasidagi nisbiy harakatni solishtirishdir, shuning uchun uning uzatish spektrini to'liq o'lchash kerak. Keng spektrli yorug'lik manbasining tarmoqli kengligi va quvvati yuqoriroq bo'lishi kerak.
2. Mamlakatda va chet elda tadqiqot holati
2.1 Tor chiziq kengligi lazer nur manbai
2.1.1 Tor chiziqli yarimo'tkazgichli taqsimlangan qayta aloqa lazeri
2006 yilda Cliche va boshqalar. yarimo'tkazgichning MGts shkalasini qisqartirdiDFB lazer(taqsimlangan qayta aloqa lazeri ) elektr qayta aloqa usuli yordamida kHz shkalasiga; 2011 yilda Kessler va boshqalar. 40 MGts chastotali ultra tor chiziqli lazer chiqishini olish uchun past haroratli va yuqori barqarorlikdagi yagona kristalli bo'shliqdan faol qayta aloqa nazorati bilan birlashtirilgan; 2013 yilda Peng va boshqalar tashqi Fabry-Perot (FP) teskari aloqani sozlash usulidan foydalangan holda 15 kHz chiziq kengligi bilan yarimo'tkazgichli lazer chiqishini qo'lga kiritdilar. Elektr aloqasi usuli asosan yorug'lik manbasining lazer chizig'ining kengligini kamaytirish uchun Pond-Drever-Hall chastotasini barqarorlashtirish teskari aloqasidan foydalangan. 2010 yilda Bernhardi va boshqalar. taxminan 1,7 kHz chiziq kengligi bilan lazer chiqishini olish uchun kremniy oksidi substratida 1 sm erbiy qo'shilgan alumina FBG ishlab chiqarilgan. Xuddi shu yili Liang va boshqalar. 1-rasmda ko'rsatilganidek, yarimo'tkazgichli lazer chizig'i kengligida siqish uchun yuqori Q-echo devor rezonatori tomonidan hosil qilingan orqaga Rayleigh tarqalishining o'z-o'zidan in'ektsiya teskari aloqasidan foydalangan va nihoyat 160 Gts chastotali tor chiziqli lazer chiqishini qo'lga kiritgan.
1-rasm (a) tashqi shivirlash galereyasi rejimi rezonatorining o'z-o'zini in'ektsiya qilish Rayleigh tarqalishiga asoslangan yarimo'tkazgichli lazer chiziq kengligi siqish diagrammasi;
(b) chiziq kengligi 8 MGts bo'lgan erkin ishlaydigan yarimo'tkazgichli lazerning chastota spektri;
(c) 160 Gts gacha siqilgan chiziq kengligi bilan lazerning chastota spektri
2.1.2 Tor chiziqli tolali lazer
Chiziqli bo'shliq tolali lazerlar uchun bitta uzunlamasına rejimning tor chiziqli kengligi lazer chiqishi rezonatorning uzunligini qisqartirish va uzunlamasına rejim oralig'ini oshirish orqali olinadi. 2004 yilda Spiegelberg va boshqalar. DBR qisqa bo'shliq usuli yordamida 2 kHz chiziq kengligi bilan bitta uzunlamasına rejimli tor chiziqli lazer chiqishini oldi. 2007 yilda Shen va boshqalar. Bi-Ge qo'shilgan fotosensitiv tolaga FBG yozish uchun 2 sm og'ir erbiy qo'shilgan kremniy tolasidan foydalangan va uni faol tola bilan birlashtirib, ixcham chiziqli bo'shliq hosil qilgan va uning lazer chiqish chizig'ining kengligi 1 kHz dan kam bo'lgan. 2010 yilda Yang va boshqalar. chiziq kengligi 2 kHz dan kam bo'lgan bitta uzunlamasına rejimli lazer chiqishini olish uchun tor tarmoqli FBG filtri bilan birlashtirilgan 2 sm yuqori dozalangan qisqa chiziqli bo'shliqdan foydalangan. 2014 yilda jamoa 3-rasmda ko'rsatilganidek, tor chiziq kengligi bilan lazer chiqishini olish uchun FBG-FP filtri bilan birlashtirilgan qisqa chiziqli bo'shliqdan (virtual katlanmış halqa rezonatori) foydalangan. 2012 yilda Cai va boshqalar. chiqish quvvati 114 mVt dan ortiq, markaziy to'lqin uzunligi 1540,3 nm va chiziq kengligi 4,1 kHz bo'lgan polarizatsiyalovchi lazer chiqishini olish uchun 1,4 sm qisqa bo'shliq strukturasidan foydalangan. 2013 yilda Meng va boshqalar. 10 mVt chiqish quvvatiga ega bo'lgan bir uzunlamasına rejim, past fazali shovqin lazer chiqishini olish uchun to'liq burchakli saqlovchi qurilmaning qisqa halqali bo'shlig'i bilan erbiy qo'shilgan tolaning Brillouin sochilishidan foydalanilgan. 2015 yilda jamoa 45 sm erbiy qo'shilgan toladan tashkil topgan halqa bo'shlig'idan Brillouinning tarqalish ortishi sifatida past chegara va tor chiziq kengligi lazer chiqishini olish uchun foydalangan.
2-rasm (a) SLC tolali lazerining sxematik chizmasi;
(b) 97,6 km tolali kechikish bilan o'lchangan heterodin signalining chiziqli shakli
Yuborilgan vaqt: 20-noyabr-2023