Lazer kaynak teknolojisioptik lifHissetme Bölüm Bir
Optik fiber algılama teknolojisi, optik fiber teknolojisi ve optik fiber iletişim teknolojisi ile birlikte geliştirilen bir tür algılama teknolojisidir 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 iletimindeki dış etkilerle değiştirilebilir. Örneğin, sıcaklık, gerinim, basınç, akım, yer değiştirme, titreşim, dönüş, bükülme ve kimyasal miktar optik yolu etkilediğinde, bu parametreler buna göre değişir. Optik fiber algılama, karşılık gelen fiziksel miktarları algılamak için bu parametreler ile dış faktörler arasındaki ilişkiye dayanır.
Birçok türü vardırlazer kaynağıOptik fiber algılama sistemlerinde kullanılan ve iki kategoriye ayrılabilen: tutarlılazer kaynaklarıve tutarsız ışık kaynakları, tutarsızışık kaynaklarıesas olarak akkor ışık ve ışık yayan diyotları içerir ve tutarlı ışık kaynakları arasında katı lazerler, sıvı lazerler, gaz lazerleri bulunur,yarı iletken lazerVefiber lazerAşağıdakiler esas olarak şunlar içindir:lazer ışık kaynağıSon yıllarda fiber algılama alanında yaygın olarak kullanılanlar: dar hat genişliğine sahip tek frekanslı lazer, tek dalga boylu tarama frekanslı lazer ve beyaz lazer.
1.1 Dar hat genişliğine ilişkin gerekliliklerlazer ışık kaynakları
Optik fiber algılama sistemi lazer kaynağından ayrılamaz, çünkü ölçülen sinyal taşıyıcı ışık dalgası, lazer ışık kaynağının kendisi performansı, güç kararlılığı, lazer hat genişliği, faz gürültüsü ve optik fiber algılama sistemi algılama mesafesi, algılama doğruluğu, hassasiyet ve gürültü özellikleri üzerindeki diğer parametreler belirleyici bir rol oynar. Son yıllarda, uzun mesafeli ultra yüksek çözünürlüklü optik fiber algılama sistemlerinin geliştirilmesiyle birlikte, akademi ve endüstri, esas olarak lazer minyatürleştirmenin hat genişliği performansı için daha katı gereksinimler ortaya koymuştur: optik frekans alanı yansıması (OFDR) teknolojisi, geniş bir kapsama alanı (binlerce metre) ile frekans alanında optik fiberlerin arka ışınlı saçılmış sinyallerini analiz etmek için tutarlı algılama teknolojisini kullanır. Yüksek çözünürlük (milimetre düzeyinde çözünürlük) ve yüksek hassasiyet (-100 dBm'ye kadar) avantajları, dağıtılmış optik fiber ölçüm ve algılama teknolojisinde geniş uygulama beklentilerine sahip teknolojilerden biri haline gelmiştir. OFDR teknolojisinin özü, optik frekans ayarını 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 koherens uzunluğuna yakın olduğunda, vuruş sinyalinin yoğunluğu τ/τc katsayısı tarafından üssel olarak zayıflatılacaktır. Spektral bir şekle sahip Gauss ışık kaynağı için, vuruş frekansının %90'dan fazla görünürlüğe sahip olmasını sağlamak için, ışık kaynağının çizgi genişliği ile sistemin ulaşabileceği maksimum algılama uzunluğu arasındaki ilişki Lmax~0.04vg/f'dir, bu da 80 km uzunluğundaki bir fiber için ışık kaynağının çizgi genişliğinin 100 Hz'den az olduğu anlamına gelir. Ek olarak, diğer uygulamaların geliştirilmesi de ışık kaynağının çizgi genişliği için daha yüksek gereksinimler ortaya koymuştur. Örneğin, optik fiber hidrofon sisteminde, ışık kaynağının çizgi genişliği sistem gürültüsünü belirler ve ayrıca sistemin ölçülebilir minimum sinyalini belirler. Brillouin optik zaman alanı reflektörde (BOTDR), sıcaklık ve stresin ölçüm çözünürlüğü esas olarak ışık kaynağının hat genişliği tarafından belirlenir. Bir rezonatör fiber optik jiroskopta, ışık dalgasının tutarlılık uzunluğu, ışık kaynağının hat genişliği azaltılarak artırılabilir, böylece rezonatörün inceliği ve rezonans derinliği iyileştirilebilir, rezonatörün hat genişliği azaltılabilir ve fiber optik jiroskopun ölçüm doğruluğu sağlanabilir.
1.2 Süpürme lazer kaynaklarına ilişkin gereklilikler
Tek dalga boyu taramalı lazer esnek dalga boyu ayarlama performansına sahiptir, birden fazla çıkışlı sabit dalga boyu lazerlerin yerini alabilir, sistem yapım maliyetini düşürür, optik fiber algılama sisteminin vazgeçilmez bir parçasıdır. Örneğin, iz gazı fiber algılamada, farklı gaz türlerinin farklı gaz emilim tepe noktaları vardır. Ölçüm gazı 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. Algılanabilen gaz türü esasen algılama ışık kaynağının dalga boyu tarafından belirlenir. Bu nedenle, kararlı geniş bant ayarlama performansına sahip dar hat genişliğine sahip lazerler, bu tür algılama sistemlerinde daha yüksek ölçüm esnekliğine sahiptir. Örneğin, optik frekans alanı yansımasına dayanan bazı dağıtılmış optik fiber algılama sistemlerinde, optik sinyallerin yüksek hassasiyetli tutarlı algılanması ve demodülasyonu elde etmek için lazerin hızla periyodik olarak taranması gerekir, bu nedenle lazer kaynağının modülasyon oranı nispeten yüksek gereksinimlere sahiptir ve ayarlanabilir lazerin tarama hızının genellikle 10 pm/μs'ye ulaşması gerekir. Ek olarak, dalga boyu ayarlanabilir dar hat genişliği lazeri, LIDAR, lazer uzaktan algılama ve yüksek çözünürlüklü spektral analiz ve diğer algılama alanlarında da yaygın olarak kullanılabilir. Fiber algılama alanında tek dalga boylu lazerlerin ayar bant genişliği, ayar doğruluğu ve ayar hızının yüksek performans parametrelerinin gereksinimlerini karşılamak için, son yıllarda ayarlanabilir dar genişlikli fiber lazerleri incelemenin genel amacı, ultra dar lazer hat genişliği, ultra düşük faz gürültüsü ve ultra kararlı çıkış frekansı ve gücü elde ederek daha geniş bir dalga boyu aralığında yüksek hassasiyetli ayar elde etmektir.
1.3 Beyaz lazer ışık kaynağına olan talep
Optik algılama alanında, sistemin 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 o kadar kapsamlı olur. Örneğin, bir sensör ağı oluşturmak için fiber Bragg ızgarası (FBG) kullanıldığında, demodülasyon için spektral analiz veya ayarlanabilir filtre eşleştirme yöntemi kullanılabilir. Birincisi, ağdaki her FBG rezonans dalga boyunu doğrudan test etmek için bir spektrometre kullandı. İkincisi, algılamada FBG'yi izlemek ve kalibre etmek için bir referans filtresi kullanır; bunların her ikisi de FBG için bir test ışık kaynağı olarak geniş bantlı bir ışık kaynağı gerektirir. Her FBG erişim ağı belirli bir ekleme kaybına sahip olacağından ve 0,1 nm'den daha büyük bir 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 kafes (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 spektruma sahip geniş spektrumlu bir ışık kaynağı gerekir. Özellikle, akusto-optik etki kullanılarak inşa edilen akustik fiber kafes (AIFG), elektriksel ayarlama yoluyla 1000 nm'ye kadar rezonans dalga boyunun ayar aralığına ulaşabilir. Bu nedenle, böylesine ultra geniş bir ayar aralığına sahip dinamik kafes testi, geniş spektrumlu bir ışık kaynağının bant genişliği aralığı için büyük bir zorluk oluşturur. Benzer şekilde, son yıllarda, eğimli Bragg fiber kafes de 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 bağıl hareketi karşılaştırmaktır, bu nedenle iletim spektrumunu tamamen ölçmek gerekir. Geniş spektrumlu ışık kaynağının bant genişliğinin ve gücünün daha yüksek olması gerekir.
2. Yurt içi ve yurt dışında araştırma durumu
2.1 Dar hat genişliğine sahip lazer ışık kaynağı
2.1.1 Dar hat genişliğine sahip yarı iletken dağıtılmış geribildirim lazeri
2006 yılında Cliche ve diğerleri yarı iletkenin MHz ölçeğini küçülttülerDFB lazer(dağıtılmış geri beslemeli lazer) elektriksel geri besleme yöntemini kullanarak kHz ölçeğine; 2011 yılında, Kessler ve arkadaşları, aktif geri besleme kontrolü ile birleştirilmiş düşük sıcaklık ve yüksek kararlılığa sahip tek kristal boşluğu kullanarak 40 MHz'lik ultra dar hat genişliğine sahip lazer çıkışı elde ettiler; 2013 yılında, Peng ve arkadaşları, harici Fabry-Perot (FP) geri besleme ayarlama yöntemini kullanarak 15 kHz'lik bir hat genişliğine sahip yarı iletken lazer çıkışı elde ettiler. Elektriksel geri besleme yöntemi, esas olarak ışık kaynağının lazer hat genişliğini azaltmak için Pond-Drever-Hall frekans sabitleme geri beslemesini kullandı. 2010 yılında, Bernhardi ve arkadaşları, yaklaşık 1,7 kHz'lik bir hat genişliğine sahip lazer çıkışı elde etmek için bir silikon oksit alt tabaka üzerinde 1 cm erbiyum katkılı alümina FBG ürettiler. Aynı yıl, Liang ve arkadaşları. Şekil 1'de gösterildiği gibi, yarı iletken lazer hat genişliği sıkıştırması için yüksek Q yankı duvar rezonatörü tarafından oluşturulan geriye doğru Rayleigh saçılmasının kendi kendine enjeksiyon geri beslemesini kullandı ve sonunda 160 Hz'lik dar bir hat genişliğine sahip lazer çıkışı elde etti.
Şekil 1 (a) Harici fısıldama galerisi mod rezonatörünün kendi kendine enjeksiyonlu Rayleigh saçılmasına dayalı yarı iletken lazer hat genişliği sıkıştırmasının diyagramı;
(b) 8 MHz hat genişliğine sahip serbest çalışan yarı iletken lazerin frekans spektrumu;
(c) 160 Hz'e sıkıştırılmış hat genişliğine sahip lazerin frekans spektrumu
2.1.2 Dar hat genişliğine sahip fiber lazer
Doğrusal boşluklu fiber lazerler için, tek uzunlamasına modun dar hat genişliğine sahip lazer çıkışı, rezonatörün uzunluğunu kısaltarak ve uzunlamasına mod aralığını artırarak elde edilir. 2004 yılında, Spiegelberg ve arkadaşları, DBR kısa boşluk yöntemini kullanarak 2 kHz hat genişliğine sahip tek uzunlamasına modlu dar hat genişliğine sahip lazer çıkışı elde ettiler. 2007 yılında, Shen ve arkadaşları, Bi-Ge ko-dope edilmiş ışığa duyarlı bir fiber üzerine FBG yazmak için 2 cm'lik yoğun erbiyum katkılı bir silikon fiber kullandılar ve bunu aktif bir fiberle kaynaştırarak kompakt bir doğrusal boşluk oluşturdular ve lazer çıkış hat genişliğini 1 kHz'den daha az yaptılar. 2010 yılında, Yang ve arkadaşları, 2 kHz'den daha az hat genişliğine sahip tek uzunlamasına modlu lazer çıkışı elde etmek için dar bantlı bir FBG filtresiyle birlikte 2 cm'lik yüksek oranda katkılı kısa doğrusal boşluk kullandılar. 2014 yılında ekip, Şekil 3'te gösterildiği gibi daha dar bir çizgi genişliğine sahip bir lazer çıktısı elde etmek için bir FBG-FP filtresiyle birleştirilmiş kısa bir doğrusal boşluk (sanal katlanmış halka rezonatörü) kullandı. 2012 yılında, Cai ve arkadaşları 1,4 cm'lik kısa bir boşluk yapısı kullanarak 114 mW'tan büyük bir çıkış gücüne, 1540,3 nm'lik bir merkezi dalga boyuna ve 4,1 kHz'lik bir çizgi genişliğine sahip bir polarize lazer çıktısı elde etti. 2013 yılında, Meng ve arkadaşları, tam önyargı koruyan bir cihazın kısa bir halka boşluğu ile erbiyum katkılı fiberin Brillouin saçılmasını kullanarak 10 mW'lık bir çıkış gücüne sahip tek uzunlamasına modlu, düşük faz gürültülü bir lazer çıktısı elde etti. 2015 yılında ekip, düşük eşik ve dar çizgi genişliğine sahip bir lazer çıktısı elde etmek için Brillouin saçılma kazanç ortamı olarak 45 cm'lik 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
Yayınlanma zamanı: 20-Kas-2023