Lazer manba texnologiyasioptik tolaliBirinchi qismni sezish
Optik tolali sensor texnologiyasi optik tolali texnologiya va optik tolali aloqa texnologiyasi bilan birgalikda ishlab chiqilgan sensor texnologiyasining bir turi bo'lib, u fotoelektrik texnologiyaning eng faol tarmoqlaridan biriga aylandi. Optik tolali sensor tizimi asosan lazer, uzatish tolasi, sensor elementi yoki modulyatsiya maydoni, yorug'likni aniqlash va boshqa qismlardan iborat. Yorug'lik to'lqinining xususiyatlarini tavsiflovchi parametrlarga intensivlik, to'lqin uzunligi, faza, polyarizatsiya holati va boshqalar kiradi. Bu parametrlar optik tolali uzatishda tashqi ta'sirlar ta'sirida o'zgarishi mumkin. Masalan, harorat, kuchlanish, bosim, oqim, siljish, tebranish, aylanish, egilish va kimyoviy miqdor optik yo'lga ta'sir qilganda, bu parametrlar mos ravishda o'zgaradi. Optik tolali sensor mos keladigan fizik miqdorlarni aniqlash uchun ushbu parametrlar va tashqi omillar o'rtasidagi bog'liqlikka asoslangan.
Ko'p turlari mavjudlazer manbaioptik tolali sensor tizimlarida qo'llaniladi, ularni ikki toifaga bo'lish mumkin: izchillazer manbalariva nomuvofiq yorug'lik manbalari, nomuvofiqyorug'lik manbalariasosan akkor chiroq va yorug'lik chiqaradigan diodlarni o'z ichiga oladi va kogerent yorug'lik manbalariga qattiq lazerlar, suyuq lazerlar, gaz lazerlari kiradi.yarimo'tkazgichli lazervatolali lazerQuyidagilar asosan quyidagilar uchunlazer nur manbaiSo'nggi yillarda optik tolali sensorlar sohasida keng qo'llaniladi: tor chiziq kengligidagi bitta chastotali lazer, bitta to'lqin uzunligidagi supurish chastotali lazer va oq lazer.
1.1 Tor chiziq kengligi uchun talablarlazer nur manbalari
Optik tolali sensor 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'i kengligi, faza shovqini va optik tolali sensor tizimidagi boshqa parametrlar, aniqlash masofasi, aniqlash aniqligi, sezgirlik va shovqin xususiyatlari hal qiluvchi rol o'ynaydi. So'nggi yillarda uzoq masofali ultra yuqori aniqlikdagi optik tolali sensor tizimlarining rivojlanishi bilan akademiya va sanoat lazer miniatyurizatsiyasining chiziq kengligi ishlashiga nisbatan qat'iyroq talablarni qo'ydi, asosan: optik chastota domenini aks ettirish (OFDR) texnologiyasi chastota domenidagi optik tolalarning orqa nurli tarqoq signallarini tahlil qilish uchun kogerent aniqlash texnologiyasidan foydalanadi, keng qamrovli (minglab metr). Yuqori aniqlik (millimetr darajasidagi aniqlik) va yuqori sezgirlik (-100 dBm gacha) afzalliklari taqsimlangan optik tolali o'lchash va sensor texnologiyasida keng qo'llanilish istiqbollariga ega texnologiyalardan biriga aylandi. OFDR texnologiyasining yadrosi optik chastotani sozlashga erishish uchun sozlanishi yorug'lik manbasidan foydalanishdir, shuning uchun lazer manbasining ishlashi OFDR aniqlash diapazoni, sezgirlik va aniqlik kabi asosiy omillarni belgilaydi. Qaytarish nuqtasi masofasi kogerentlik uzunligiga yaqin bo'lganda, zarba signalining intensivligi τ/τc koeffitsienti bilan eksponent ravishda susaydi. Spektral shaklga ega Gauss yorug'lik manbai uchun zarba 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/f ni tashkil qiladi, ya'ni uzunligi 80 km bo'lgan tola uchun yorug'lik manbasining chiziq kengligi 100 Gts dan kam. Bundan tashqari, boshqa ilovalarning rivojlanishi ham yorug'lik manbasining chiziq kengligiga yuqori talablarni qo'ydi. Masalan, optik tolali gidrofon tizimida yorug'lik manbasining chiziq kengligi tizim shovqinini aniqlaydi va tizimning minimal o'lchanadigan signalini ham aniqlaydi. Brillouin optik vaqt domeni reflektorida (BOTDR) harorat va kuchlanishni o'lchash aniqligi asosan yorug'lik manbasining chiziq kengligi bilan belgilanadi. Rezonatorli optik tolali giroskopda yorug'lik to'lqinining kogerentlik uzunligini yorug'lik manbasining chiziq kengligini kamaytirish orqali oshirish mumkin, shu bilan rezonatorning nozikligi va rezonans chuqurligini yaxshilaydi, rezonatorning chiziq kengligini kamaytiradi va optik tolali giroskopning o'lchash aniqligini ta'minlaydi.
1.2 Supuruvchi lazer manbalariga qo'yiladigan talablar
Yagona to'lqin uzunligi supuruvchi lazer moslashuvchan to'lqin uzunligini sozlash xususiyatiga ega, bir nechta chiqish sobit to'lqin uzunligi lazerlarini almashtirishi mumkin, tizimni qurish narxini pasaytiradi, optik tolali sensor tizimining ajralmas qismi hisoblanadi. Masalan, iz gazli tolali sensorda turli xil gazlar turli xil gaz yutish cho'qqilariga ega. O'lchov gazi yetarli bo'lganda yorug'likni yutish samaradorligini ta'minlash va yuqori o'lchov sezgirligiga erishish uchun uzatish yorug'lik manbasining to'lqin uzunligini gaz molekulasining yutish cho'qqisi bilan moslashtirish kerak. Aniqlanishi mumkin bo'lgan gaz turi asosan sensor yorug'lik manbasining to'lqin uzunligi bilan belgilanadi. Shuning uchun, barqaror keng polosali sozlash ishlashiga ega tor chiziqli lazerlar bunday sensor tizimlarida yuqori o'lchov moslashuvchanligiga ega. Masalan, optik chastota domenini aks ettirishga asoslangan ba'zi taqsimlangan optik tolali sensor tizimlarida optik signallarning yuqori aniqlikdagi kogerent aniqlash va demodulyatsiyasiga erishish uchun lazerni vaqti-vaqti bilan tez supurish kerak, shuning uchun lazer manbasining modulyatsiya tezligi nisbatan yuqori talablarga ega va sozlanishi lazerning supurish tezligi odatda 10 pm/μs ga yetishi kerak. Bundan tashqari, to'lqin uzunligi sozlanishi tor chiziq kengligi lazeri liDAR, lazer masofaviy zondlash va yuqori aniqlikdagi spektral tahlil va boshqa sezish sohalarida ham keng qo'llanilishi mumkin. Tolali zondlash sohasida bitta to'lqin uzunligidagi lazerlarning sozlash o'tkazish qobiliyati, sozlash aniqligi va sozlash tezligining yuqori ishlash parametrlari talablariga javob berish uchun so'nggi yillarda sozlanishi tor kenglikdagi tolali lazerlarni o'rganishning umumiy maqsadi ultra tor lazer chiziq kengligi, ultra past fazali shovqin va ultra barqaror chiqish chastotasi va quvvatini ta'qib qilish asosida kengroq to'lqin uzunligi diapazonida yuqori aniqlikdagi sozlashga erishishdir.
1.3 Oq lazer yorug'lik manbasiga talab
Optik sezish 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 sezish tizimida qo'llanilishi shunchalik kengroq. Masalan, sensor tarmog'ini qurish uchun tolali Bragg panjarasidan (FBG) foydalanganda, demodulyatsiya uchun spektral tahlil yoki sozlanishi mumkin bo'lgan filtrni moslashtirish usuli qo'llanilishi mumkin. Birinchisi tarmoqdagi har bir FBG rezonans to'lqin uzunligini to'g'ridan-to'g'ri sinab ko'rish uchun spektrometrdan foydalangan. Ikkinchisi sezishdagi FBGni kuzatish va kalibrlash uchun mos yozuvlar filtridan foydalanadi, 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 kiritish yo'qotishiga ega bo'lgani va 0,1 nm dan ortiq o'tkazish qobiliyatiga ega bo'lgani uchun, bir nechta FBGni bir vaqtning o'zida demodulyatsiya qilish uchun yuqori quvvatli va yuqori o'tkazish qobiliyatiga ega keng polosali yorug'lik manbai talab qilinadi. Masalan, sensor uchun uzoq muddatli tolali panjara (LPFG) dan foydalanilganda, bitta yo'qotish cho'qqisining o'tkazish qobiliyati 10 nm atrofida bo'lganligi sababli, uning rezonans cho'qqi xususiyatlarini aniq tavsiflash uchun yetarli o'tkazish qobiliyatiga va nisbatan tekis spektrga ega keng spektrli yorug'lik manbai talab qilinadi. Xususan, akusto-optik effektdan foydalangan holda qurilgan akustik tolali panjara (AIFG) elektr sozlash orqali 1000 nm gacha bo'lgan rezonansli to'lqin uzunligini sozlash diapazoniga erishishi mumkin. Shuning uchun, bunday ultra keng sozlash diapazoni bilan dinamik panjara sinovi keng spektrli yorug'lik manbasining o'tkazish qobiliyati diapazoni uchun katta qiyinchilik tug'diradi. Xuddi shunday, so'nggi yillarda egilgan Bragg tolali panjarasi ham tolani aniqlash sohasida keng qo'llanilmoqda. Ko'p cho'qqili yo'qotish spektrining xususiyatlari tufayli to'lqin uzunligi tarqalish diapazoni odatda 40 nm ga yetishi mumkin. Uning sensor mexanizmi odatda bir nechta uzatish cho'qqilari orasidagi nisbiy harakatni taqqoslashdan iborat, shuning uchun uning uzatish spektrini to'liq o'lchash kerak. Keng spektrli yorug'lik manbasining o'tkazish qobiliyati va quvvati yuqoriroq bo'lishi kerak.
2. Uyda va chet elda tadqiqot holati
2.1 Tor chiziq kengligidagi lazer yorug'lik manbai
2.1.1 Tor chiziqli yarimo'tkazgichli taqsimlangan teskari aloqa lazeri
2006-yilda Cliche va boshqalar yarimo'tkazgichlarning MGts shkalasini kamaytirdilar.DFB lazeri(tarqatilgan teskari aloqa lazeri) elektr teskari aloqa usuli yordamida kHz shkalasiga; 2011-yilda Kessler va boshqalar 40 MGts ultra tor chiziq kengligidagi lazer chiqishini olish uchun faol teskari aloqa boshqaruvi bilan birgalikda past haroratli va yuqori barqarorlikdagi bitta kristalli bo'shliqdan foydalanganlar; 2013-yilda Peng va boshqalar tashqi Fabry-Perot (FP) teskari aloqa sozlamalari usuli yordamida 15 kHz chiziq kengligidagi yarimo'tkazgichli lazer chiqishini olishdi. Elektr teskari aloqa usuli asosan yorug'lik manbasining lazer chiziq kengligini kamaytirish uchun Pond-Drever-Hall chastotasini barqarorlashtirish teskari aloqasidan foydalangan. 2010-yilda Bernhardi va boshqalar taxminan 1,7 kHz chiziq kengligidagi lazer chiqishini olish uchun kremniy oksidi substratida 1 sm erbiy bilan qo'shilgan alyuminiy oksidi FBG ishlab chiqargan. Xuddi shu yili Liang va boshqalar. 1-rasmda ko'rsatilgandek, yarimo'tkazgichli lazer chiziq kengligida siqish uchun yuqori Q aks-sado devor rezonatori tomonidan hosil qilingan teskari Rayleigh sochilishining o'z-o'zidan in'ektsiya teskari aloqasidan foydalanildi va nihoyat 160 Gts tor chiziq kengligidagi lazer chiqishini oldi.
1-rasm (a) Tashqi pichirlash galereyasi rejimidagi rezonatorning o'z-o'zini in'ektsiya qilish orqali Rayleigh sochilishiga asoslangan yarimo'tkazgichli lazer chiziq kengligidagi siqilish diagrammasi;
(b) 8 MGts chiziq kengligidagi erkin ishlaydigan yarimo'tkazgichli lazerning chastota spektri;
(c) Chiziq kengligi 160 Gts gacha siqilgan lazerning chastota spektri
2.1.2 Tor chiziqli tolali lazer
Chiziqli bo'shliqli tolali lazerlar uchun bitta bo'ylama rejimning tor chiziqli kenglikdagi lazer chiqishi rezonator uzunligini qisqartirish va bo'ylama rejim oralig'ini oshirish orqali olinadi. 2004-yilda Spiegelberg va boshqalar DBR qisqa bo'shliq usuli yordamida 2 kHz chiziqli kenglikdagi bitta bo'ylama rejimdagi tor chiziqli kenglikdagi lazer chiqishini olishdi. 2007-yilda Shen va boshqalar Bi-Ge qo'shma fotosensitiv tolaga FBG yozish uchun 2 sm og'ir erbiy bilan qo'shilgan kremniy tolasidan foydalangan va uni faol tola bilan birlashtirib, ixcham chiziqli bo'shliq hosil qilgan, bu uning lazer chiqish chizig'i kengligini 1 kHz dan kam qilgan. 2010-yilda Yang va boshqalar 2 kHz dan kam chiziqli kenglikdagi bitta bo'ylama rejimdagi lazer chiqishini olish uchun tor polosali FBG filtri bilan birlashtirilgan 2 sm yuqori darajada qo'shilgan qisqa chiziqli bo'shliqdan foydalanganlar. 2014-yilda jamoa 3-rasmda ko'rsatilgandek, tor chiziq kengligidagi lazer chiqishini olish uchun FBG-FP filtri bilan birlashtirilgan qisqa chiziqli bo'shliqdan (virtual buklangan halqali rezonator) foydalangan. 2012-yilda Cai va boshqalar 114 mVt dan yuqori chiqish quvvati, 1540,3 nm markaziy to'lqin uzunligi va 4,1 kHz chiziq kengligi bilan polyarizatsiya qiluvchi lazer chiqishini olish uchun 1,4 sm uzunlikdagi qisqa bo'shliq strukturasidan foydalanganlar. 2013-yilda Meng va boshqalar 10 mVt chiqish quvvatiga ega bitta bo'ylama rejimli, past fazali shovqinli lazer chiqishini olish uchun to'liq yo'nalishli saqlovchi qurilmaning qisqa halqali bo'shlig'i bilan erbiy bilan qoplangan tolaning Brillouin sochilishidan foydalanganlar. 2015-yilda jamoa past chegara va tor chiziq kengligidagi lazer chiqishini olish uchun Brillouin sochilish kuchaytirish muhiti sifatida 45 sm uzunlikdagi erbiy bilan qoplangan toladan iborat halqali bo'shliqdan foydalangan.
2-rasm (a) SLC tolali lazerining sxematik chizmasi;
(b) 97,6 km optik tolali kechikish bilan o'lchangan geterodin signalining chiziq shakli
Nashr vaqti: 2023-yil 20-noyabr