Lazer kaynağı teknolojisi içinoptik fiberAlgılama Birinci Bölüm
Optik fiber algılama teknolojisi, optik fiber teknolojisi ve optik fiber iletişim teknolojisiyle birlikte gelişen bir algılama teknolojisi türüdür ve fotoelektrik teknolojisinin en aktif dallarından biri haline gelmiştir. Optik fiber algılama sistemi esas olarak lazer, iletim fiberi, algılama elemanı veya modülasyon alanı, ışık algılama ve diğer parçalardan oluşur. Işık dalgasının özelliklerini tanımlayan parametreler arasında yoğunluk, dalga boyu, faz, polarizasyon durumu vb. bulunur. Bu parametreler, optik fiber iletiminde dış etkilerle değişebilir. Örneğin, sıcaklık, gerilim, basınç, akım, yer değiştirme, titreşim, dönme, bükülme ve kimyasal miktar optik yolu etkilediğinde, bu parametreler de buna bağlı olarak değişir. Optik fiber algılama, bu parametreler ve dış faktörler arasındaki ilişkiye dayanarak karşılık gelen fiziksel nicelikleri tespit eder.
Birçok çeşidi vardırlazer kaynağıOptik fiber algılama sistemlerinde kullanılan ve iki kategoriye ayrılabilen: tutarlılazer kaynaklarıve tutarsız ışık kaynakları, tutarsızışık kaynaklarıBaşlıca akkor lambalar ve ışık yayan diyotları içerirken, tutarlı ışık kaynakları arasında katı hal lazerleri, sıvı lazerleri ve gaz lazerleri yer alır.yarı iletken lazerVefiber lazerAşağıdakiler esas olarak şunlar içindir:lazer ışık kaynağıSon yıllarda fiber optik algılama alanında yaygın olarak kullanılan lazer türleri şunlardır: dar hat genişliğine sahip tek frekanslı lazer, tek dalga boylu frekans taramalı lazer ve beyaz lazer.
1.1 Dar çizgi genişliği için gereksinimlerlazer ışık kaynakları
Optik fiber algılama sistemi, ölçülen sinyal taşıyıcı ışık dalgası olarak lazer kaynağından ayrılamaz; lazer ışık kaynağının kendi performansı, örneğin güç kararlılığı, lazer çizgi genişliği, faz gürültüsü ve diğer parametreler, optik fiber algılama sisteminin algılama mesafesi, algılama doğruluğu, hassasiyeti ve gürültü özellikleri üzerinde belirleyici bir rol oynar. Son yıllarda, uzun mesafeli ultra yüksek çözünürlüklü optik fiber algılama sistemlerinin gelişmesiyle birlikte, akademi ve endüstri, lazer minyatürleştirmesinin çizgi genişliği performansı için daha katı gereksinimler ortaya koymuştur; özellikle optik frekans alanı yansıma (OFDR) teknolojisi, frekans alanında optik fiberlerin geri-rayleigh saçılan sinyallerini analiz etmek için tutarlı algılama teknolojisini kullanır ve geniş bir kapsama alanına (binlerce metre) sahiptir. Yüksek çözünürlük (milimetre düzeyinde çözünürlük) ve yüksek hassasiyet (100 dBm'ye kadar) avantajları, dağıtılmış optik fiber ölçüm ve algılama teknolojisinde geniş uygulama potansiyeline sahip teknolojilerden biri haline gelmiştir. OFDR teknolojisinin özü, optik frekans ayarlaması elde etmek için ayarlanabilir ışık kaynağı kullanmaktır; bu nedenle lazer kaynağının performansı, OFDR algılama aralığı, hassasiyet ve çözünürlük gibi temel faktörleri belirler. Yansıma noktası mesafesi koherans uzunluğuna yakın olduğunda, vuruş sinyalinin yoğunluğu τ/τc katsayısı ile üstel olarak zayıflar. Spektral şekle sahip bir Gauss ışık kaynağı için, vuruş frekansının %90'dan fazla görünürlüğe sahip olmasını sağlamak için, ışık kaynağının çizgi genişliği ile sistemin elde edebileceği maksimum algılama uzunluğu arasındaki ilişki Lmax~0.04vg/f'dir; bu, 80 km uzunluğundaki bir fiber için ışık kaynağının çizgi genişliğinin 100 Hz'den az olması gerektiği anlamına gelir. Ayrıca, diğer uygulamaların gelişimi de ışık kaynağının çizgi genişliği için daha yüksek gereksinimler ortaya koymaktadır. Örneğin, optik fiber hidrofon sisteminde, ışık kaynağının çizgi genişliği sistem gürültüsünü ve ayrıca sistemin minimum ölçülebilir sinyalini belirler. Brillouin optik zaman alanı reflektörlerinde (BOTDR), sıcaklık ve gerilim ölçüm çözünürlüğü esas olarak ışık kaynağının çizgi genişliğine bağlıdır. Rezonatörlü fiber optik jiroskopta, ışık kaynağının çizgi genişliği azaltılarak ışık dalgasının koherans uzunluğu artırılabilir, böylece rezonatörün inceliği ve rezonans derinliği iyileştirilebilir, rezonatörün çizgi genişliği azaltılabilir ve fiber optik jiroskopun ölçüm doğruluğu sağlanabilir.
1.2 Tarama lazer kaynakları için gereksinimler
Tek dalga boylu tarama lazeri, esnek dalga boyu ayarlama performansına sahiptir, çoklu çıkışlı sabit dalga boylu lazerlerin yerini alabilir, sistem kurulum maliyetini düşürebilir ve optik fiber algılama sisteminin vazgeçilmez bir parçasıdır. Örneğin, eser gaz fiber algılamasında, farklı gaz türlerinin farklı gaz emilim tepe noktaları vardır. Ölçülen gaz yeterli olduğunda ışık emilim verimliliğini sağlamak ve daha yüksek ölçüm hassasiyeti elde etmek için, iletim ışık kaynağının dalga boyunu gaz molekülünün emilim tepe noktasıyla hizalamak gerekir. Algılanabilecek gaz türü esasen algılama ışık kaynağının dalga boyu tarafından belirlenir. Bu nedenle, kararlı geniş bant ayarlama performansına sahip dar bant genişliğine sahip lazerler, bu tür algılama sistemlerinde daha yüksek ölçüm esnekliğine sahiptir. Örneğin, optik frekans alanı yansımasına dayalı bazı dağıtılmış optik fiber algılama sistemlerinde, optik sinyallerin yüksek hassasiyetli tutarlı algılama ve demodülasyonunu sağlamak için lazerin periyodik olarak hızlı bir şekilde taranması gerekir, bu nedenle lazer kaynağının modülasyon hızı nispeten yüksek gereksinimlere sahiptir ve ayarlanabilir lazerin tarama hızının genellikle 10 pm/μs'ye ulaşması gerekir. Ek olarak, dalga boyu ayarlanabilir dar bant genişliğine sahip lazerler, LiDAR, lazer uzaktan algılama, yüksek çözünürlüklü spektral analiz ve diğer algılama alanlarında da yaygın olarak kullanılabilir. Fiber algılama alanında tek dalga boylu lazerlerin bant genişliği ayarı, ayar doğruluğu ve ayar hızı gibi yüksek performans parametrelerinin gereksinimlerini karşılamak için, son yıllarda ayarlanabilir dar bant genişliğine sahip fiber lazerler üzerine yapılan çalışmaların genel amacı, ultra dar lazer bant genişliği, ultra düşük faz gürültüsü ve ultra kararlı çıkış frekansı ve gücü elde etme temelinde, daha geniş bir dalga boyu aralığında yüksek hassasiyetli ayarlama sağlamaktır.
1.3 Beyaz lazer ışık kaynağına olan talep
Optik algılama alanında, sistem performansını iyileştirmek için yüksek kaliteli beyaz ışık lazeri büyük önem taşır. Beyaz ışık lazerinin spektrum kapsamı ne kadar geniş olursa, optik fiber algılama sistemindeki uygulaması da o kadar yaygınlaşır. Örneğin, bir sensör ağı oluşturmak için fiber Bragg ızgarası (FBG) kullanıldığında, demodülasyon için spektral analiz veya ayarlanabilir filtre eşleştirme yöntemi kullanılabilir. İlki, ağdaki her bir FBG rezonans dalga boyunu doğrudan test etmek için bir spektrometre kullanır. İkincisi, algılamada FBG'yi izlemek ve kalibre etmek için bir referans filtre kullanır; her ikisi de FBG için test ışığı kaynağı olarak geniş bantlı bir ışık kaynağı gerektirir. Her bir FBG erişim ağının belirli bir ekleme kaybı olacağından ve 0,1 nm'den fazla bant genişliğine sahip olduğundan, birden fazla FBG'nin eş zamanlı demodülasyonu, yüksek güç ve yüksek bant genişliğine sahip geniş bantlı bir ışık kaynağı gerektirir. Örneğin, algılama için uzun periyotlu fiber ızgara (LPFG) kullanıldığında, tek bir kayıp tepe noktasının bant genişliği 10 nm mertebesinde olduğundan, rezonans tepe noktası özelliklerini doğru bir şekilde karakterize etmek için yeterli bant genişliğine ve nispeten düz bir spektruma sahip geniş spektrumlu bir ışık kaynağı gereklidir. Özellikle, akustik-optik etki kullanılarak oluşturulan akustik fiber ızgara (AIFG), elektriksel ayarlama yoluyla 1000 nm'ye kadar rezonans dalga boyu ayarlama aralığı elde edebilir. Bu nedenle, bu kadar ultra geniş bir ayarlama aralığına sahip dinamik ızgara testi, geniş spektrumlu bir ışık kaynağının bant genişliği aralığı için büyük bir zorluk teşkil etmektedir. Benzer şekilde, son yıllarda, eğimli Bragg fiber ızgara da fiber algılama alanında yaygın olarak kullanılmaktadır. Çoklu tepe kayıp spektrumu özellikleri nedeniyle, dalga boyu dağılım aralığı genellikle 40 nm'ye ulaşabilir. Algılama mekanizması genellikle birden fazla iletim tepe noktası arasındaki göreceli hareketi karşılaştırmaktır, bu nedenle iletim spektrumunun tamamen ölçülmesi gereklidir. Geniş spektrumlu ışık kaynağının bant genişliği ve gücünün daha yüksek olması gerekmektedir.
2. Yurtiçi ve yurtdışındaki araştırma durumu
2.1 Dar çizgi genişliğine sahip lazer ışık kaynağı
2.1.1 Dar bant genişliğine sahip yarı iletken dağıtılmış geri beslemeli lazer
2006 yılında Cliche ve arkadaşları, yarı iletkenlerin MHz ölçeğini düşürdüler.DFB lazer(Dağıtılmış geri beslemeli lazer) elektriksel geri besleme yöntemi kullanılarak kHz ölçeğine; 2011 yılında Kessler ve ark. düşük sıcaklık ve yüksek kararlılığa sahip tek kristal boşluğunu aktif geri besleme kontrolüyle birleştirerek 40 MHz'lik ultra dar çizgi genişliğine sahip lazer çıkışı elde ettiler; 2013 yılında Peng ve ark. harici Fabry-Perot (FP) geri besleme ayarlama yöntemi kullanarak 15 kHz çizgi genişliğine sahip bir yarı iletken lazer çıkışı elde ettiler. Elektriksel geri besleme yöntemi esas olarak Pond-Drever-Hall frekans stabilizasyon geri beslemesini kullanarak ışık kaynağının lazer çizgi genişliğini azalttı. 2010 yılında Bernhardi ve ark. yaklaşık 1,7 kHz çizgi genişliğine sahip bir lazer çıkışı elde etmek için silikon oksit alt tabaka üzerinde 1 cm erbiyum katkılı alümina FBG ürettiler. Aynı yıl Liang ve ark. Şekil 1'de gösterildiği gibi, yarı iletken lazer hat genişliği sıkıştırması için yüksek Q'lu yankı duvarı rezonatörü tarafından oluşturulan geri Rayleigh saçılmasının kendi kendine enjeksiyon geri beslemesi kullanıldı ve sonuç olarak 160 Hz'lik dar hat genişliğine sahip bir lazer çıkışı elde edildi.
Şekil 1 (a) Dış fısıltı galerisi modu rezonatörünün kendi kendine enjeksiyonlu Rayleigh saçılmasına dayalı yarı iletken lazer çizgi genişliği sıkıştırmasının diyagramı;
(b) 8 MHz çizgi genişliğine sahip serbest çalışan yarı iletken lazerin frekans spektrumu;
(c) Çizgi genişliği 160 Hz'ye sıkıştırılmış lazerin frekans spektrumu
2.1.2 Dar hat genişliğine sahip fiber lazer
Doğrusal boşluklu fiber lazerler için, tek uzunlamasına modlu dar bant genişliğine sahip lazer çıkışı, rezonatörün uzunluğunu kısaltarak ve uzunlamasına mod aralığını artırarak elde edilir. 2004 yılında Spiegelberg ve arkadaşları, DBR kısa boşluk yöntemi kullanarak 2 kHz bant genişliğine sahip tek uzunlamasına modlu dar bant genişliğine sahip lazer çıkışı elde ettiler. 2007 yılında Shen ve arkadaşları, Bi-Ge katkılı fotosensitif fiber üzerine FBG yazmak için 2 cm'lik yoğun erbiyum katkılı silikon fiber kullandılar ve kompakt bir doğrusal boşluk oluşturmak için aktif bir fiberle birleştirerek lazer çıkış bant genişliğini 1 kHz'den daha düşük hale getirdiler. 2010 yılında Yang ve arkadaşları, 2 kHz'den daha düşük bant genişliğine sahip tek uzunlamasına modlu lazer çıkışı elde etmek için 2 cm'lik yüksek oranda katkılı kısa doğrusal boşluğu dar bantlı bir FBG filtresiyle birleştirdiler. 2014 yılında ekip, Şekil 3'te gösterildiği gibi daha dar çizgi genişliğine sahip bir lazer çıkışı elde etmek için kısa bir doğrusal boşluk (sanal katlanmış halka rezonatör) ile bir FBG-FP filtresini birleştirdi. 2012 yılında Cai ve arkadaşları, 114 mW'tan daha yüksek çıkış gücüne, 1540,3 nm merkez dalga boyuna ve 4,1 kHz çizgi genişliğine sahip polarize bir lazer çıkışı elde etmek için 1,4 cm'lik kısa bir boşluk yapısı kullandı. 2013 yılında Meng ve arkadaşları, 10 mW çıkış gücüne sahip tek uzunlamasına modlu, düşük faz gürültülü bir lazer çıkışı elde etmek için tam önyargı koruyucu bir cihazın kısa halka boşluğu ile erbiyum katkılı fiberin Brillouin saçılımını kullandı. 2015 yılında ekip, düşük eşik ve dar çizgi genişliğine sahip bir lazer çıkışı elde etmek için Brillouin saçılım kazanç ortamı olarak 45 cm erbiyum katkılı fiberden oluşan bir halka boşluğu kullandı.
Şekil 2 (a) SLC fiber lazerin şematik çizimi;
(b) 97,6 km fiber gecikmeyle ölçülen heterodin sinyalinin çizgi şekli
Yayın tarihi: 20 Kasım 2023