Laserallika tehnoloogiaoptiline kiudtajumine Esimene osa
Optikiudanduritehnoloogia on anduritehnoloogia liik, mis on välja töötatud koos optilise kiu tehnoloogia ja optilise kiu sidetehnoloogiaga ning on saanud üheks fotoelektrilise tehnoloogia aktiivseimaks haruks. Optikiudandurisüsteem koosneb peamiselt laserist, ülekandekiust, andurielemendist või modulatsioonipiirkonnast, valguse tuvastamisest ja muudest osadest. Valguslaine omadusi kirjeldavad parameetrid hõlmavad intensiivsust, lainepikkust, faasi, polarisatsiooniastet jne. Neid parameetreid võivad optilise kiu ülekande välised mõjud muuta. Näiteks kui temperatuur, pinge, rõhk, vool, nihe, vibratsioon, pöörlemine, painutamine ja keemiline kogus mõjutavad optilist teed, muutuvad need parameetrid vastavalt. Optikiudandur põhineb nende parameetrite ja väliste tegurite vahelisel seosel vastavate füüsikaliste suuruste tuvastamiseks.
On palju tüüpelaserallikaskasutatakse optiliste kiudude andurisüsteemides, mida saab jagada kahte kategooriasse: koherentnelaserallikadja ebakoherentsed valgusallikad, ebakoherentsedvalgusallikadhõlmavad peamiselt hõõglampe ja valgusdioode ning koherentsete valgusallikate hulka kuuluvad tahkekiirguslaserid, vedeliklaserid, gaaslaserid,pooljuhtlaserjakiudlaserJärgnev on mõeldud peamiseltlaservalgusallikasViimastel aastatel on kiudandurite valdkonnas laialdaselt kasutatud: kitsa joone laiusega ühesageduslikku laserit, ühe lainepikkusega pühkimissageduslaserit ja valget laserit.
1.1 Kitsa joonelaiuse nõudedlaservalgusallikad
Optilise kiu andurisüsteemi ei saa laserallikast eraldada, kuna mõõdetud signaalikandja valguslaine, laseri valgusallika enda jõudlus, näiteks võimsuse stabiilsus, laseri joone laius, faasimüra ja muud parameetrid mängivad otsustavat rolli optilise kiu andurisüsteemi tuvastuskauguse, tuvastustäpsuse, tundlikkuse ja müra omaduste osas. Viimastel aastatel on tänu pikamaa ülikõrge eraldusvõimega optilise kiu andurisüsteemide arendamisele akadeemilised ringkonnad ja tööstus esitanud laseri miniaturiseerimise joone laiuse jõudlusele rangemaid nõudeid, peamiselt järgmistes valdkondades: optilise sagedusdomeeni peegeldustehnoloogia (OFDR) kasutab koherentset tuvastustehnoloogiat optiliste kiudude tagasiulatuvate hajutatud signaalide analüüsimiseks sagedusdomeenis laia levialaga (tuhanded meetrid). Kõrge eraldusvõime (millimeetritaseme eraldusvõime) ja kõrge tundlikkuse (kuni -100 dBm) eelised on muutunud üheks laialdaselt kasutatavaks tehnoloogiaks hajutatud optilise kiu mõõtmise ja tuvastustehnoloogias. OFDR-tehnoloogia tuumaks on häälestatava valgusallika kasutamine optilise sageduse häälestamiseks, seega määrab laserallika jõudlus võtmetegurid, nagu OFDR-i tuvastusulatus, tundlikkus ja eraldusvõime. Kui peegelduspunkti kaugus on lähedane koherentsuspikkusele, nõrgeneb lööksignaali intensiivsus eksponentsiaalselt koefitsiendi τ/τc võrra. Gaussi valgusallika puhul, millel on spektraalne kuju, et tagada lööksageduse nähtavus üle 90%, on valgusallika joone laiuse ja süsteemi saavutatava maksimaalse tuvastamispikkuse vaheline seos Lmax~0,04vg/f, mis tähendab, et 80 km pikkuse kiu puhul on valgusallika joone laius alla 100 Hz. Lisaks esitab teiste rakenduste areng ka kõrgemaid nõudeid valgusallika joone laiusele. Näiteks optilise kiu hüdrofonisüsteemis määrab valgusallika joone laius süsteemi müra ja ka süsteemi minimaalse mõõdetava signaali. Brillouini optilise ajadomeeni reflektoris (BOTDR) määrab temperatuuri ja pinge mõõtmise eraldusvõime peamiselt valgusallika joone laiuse. Resonaatori fiiberoptilises güros saab valguslaine koherentsuspikkust suurendada valgusallika joone laiuse vähendamise teel, parandades seeläbi resonaatori peenust ja resonantsi sügavust, vähendades resonaatori joone laiust ning tagades fiiberoptilise güroskoobi mõõtmistäpsuse.
1.2 Pühkiva laseriga allikate nõuded
Ühe lainepikkusega pühkimislaseril on paindlik lainepikkuse häälestamise jõudlus, see võib asendada mitut väljundiga fikseeritud lainepikkusega laserit, vähendada süsteemi ehituskulusid ja on optilise kiu andurisüsteemi lahutamatu osa. Näiteks jälgitava gaasi kiudanduritel on erinevat tüüpi gaasidel erinevad gaasi neeldumispiigid. Valguse neeldumise efektiivsuse tagamiseks piisava mõõtegaasi korral ja suurema mõõtmistundlikkuse saavutamiseks on vaja viia läbilaskva valgusallika lainepikkus vastavusse gaasimolekuli neeldumispiigiga. Tuvastatava gaasi tüüp määratakse põhimõtteliselt anduri valgusallika lainepikkuse järgi. Seetõttu on kitsa joonelaiusega laseritel, millel on stabiilne lairiba häälestamise jõudlus, sellistes andurisüsteemides suurem mõõtmispaindlikkus. Näiteks mõnes hajutatud optilise kiu andurisüsteemis, mis põhineb optilise sagedusdomeeni peegeldusel, tuleb laserit perioodiliselt kiiresti pühkida, et saavutada optiliste signaalide ülitäpne koherentne tuvastamine ja demoduleerimine, seega on laserallika modulatsioonikiirusele suhteliselt kõrged nõuded ja reguleeritava laseri pühkimiskiirus peab tavaliselt ulatuma 10 pm/μs-ni. Lisaks saab lainepikkusega häälestatavat kitsa joonelaiusega laserit laialdaselt kasutada ka liDAR-is, laserkaugseires ja suure eraldusvõimega spektraalanalüüsis ning muudes sensorivaldkondades. Ühe lainepikkusega laserite häälestamisriba laiuse, häälestamistäpsuse ja häälestamiskiiruse kõrgete jõudlusparameetrite nõuete täitmiseks kiudsensorite valdkonnas on häälestatavate kitsa joonelaiusega kiudlaserite uurimise üldeesmärk viimastel aastatel saavutada ülitäpne häälestamine laiemas lainepikkuste vahemikus, püüdes saavutada ülikitsast laserjoonelaiust, ülimadalat faasimüra ning ülistabiilset väljundsagedust ja -võimsust.
1.3 Valge laservalgusallika nõudlus
Optilise sensori valdkonnas on kvaliteetsel valge valguse laseril suur tähtsus süsteemi jõudluse parandamisel. Mida laiem on valge valguse laseri spektri ulatus, seda ulatuslikum on selle rakendusala kiudoptilise sensorisüsteemi puhul. Näiteks sensorvõrgu ehitamisel kiud-Bragg-võre (FBG) abil saab demoduleerimiseks kasutada spektraalanalüüsi või häälestatava filtri sobitamise meetodit. Esimene kasutab spektromeetrit, et testida otse iga FBG resonantslainepikkust võrgus. Viimane kasutab FBG jälgimiseks ja kalibreerimiseks sensoris võrdlusfiltrit, mis mõlemad vajavad FBG testvalgusallikana lairiba valgusallikat. Kuna igal FBG juurdepääsuvõrgul on teatud sisestuskaotus ja ribalaius üle 0,1 nm, nõuab mitme FBG samaaegne demoduleerimine suure võimsuse ja ribalaiusega lairiba valgusallikat. Näiteks pika perioodiga kiudvõre (LPFG) kasutamisel sensoriks on ühe kadupiigi ribalaius suurusjärgus 10 nm ja resonantspiigi omaduste täpseks iseloomustamiseks on vaja piisava ribalaiuse ja suhteliselt lameda spektriga laia spektriga valgusallikat. Eelkõige suudab akustilis-optilist efekti kasutades konstrueeritud akustiline kiudvõre (AIFG) elektrilise häälestamise abil saavutada resonantslainepikkuse häälestamisvahemiku kuni 1000 nm. Seetõttu on dünaamilise võre testimine sellise ülilaia häälestamisvahemikuga laia spektriga valgusallika ribalaiuse vahemiku osas suur väljakutse. Samuti on viimastel aastatel kiudude tuvastamise valdkonnas laialdaselt kasutatud kallutatud Braggi kiudvõre. Tänu oma mitme tipu kaduspektri omadustele võib lainepikkuse jaotusvahemik ulatuda tavaliselt 40 nm-ni. Selle tuvastamismehhanism seisneb tavaliselt mitme läbilaskvuse tipu suhtelise liikumise võrdlemises, seega on vaja selle läbilaskvuse spektrit täielikult mõõta. Laia spektriga valgusallika ribalaius ja võimsus peavad olema suuremad.
2. Teadustöö staatus kodus ja välismaal
2.1 Kitsa joonlaiusega laservalgusallikas
2.1.1 Kitsa joonlaiusega pooljuhtide hajutatud tagasisidelaser
2006. aastal vähendasid Cliche jt pooljuhtide MHz skaalatDFB-laser(hajutatud tagasisidega laser) kHz skaalale elektrilise tagasiside meetodi abil; 2011. aastal kasutasid Kessler jt madala temperatuuri ja suure stabiilsusega monokristalli õõnsust koos aktiivse tagasiside juhtimisega, et saada ülikitsa joonelaiusega laseri väljundsagedus 40 MHz; 2013. aastal said Peng jt välise Fabry-Peroti (FP) tagasiside reguleerimise meetodi abil pooljuhtlaseri väljundsageduse 15 kHz. Elektrilise tagasiside meetodis kasutati peamiselt Pond-Drever-Halli sagedusstabiliseerimise tagasisidet, et vähendada valgusallika laseri joonelaiust. 2010. aastal valmistasid Bernhardi jt ränioksiidi aluspinnale 1 cm erbiumiga legeeritud alumiiniumoksiidi FBG-d, et saada laseri väljundsagedus umbes 1,7 kHz joonelaiusega. Samal aastal Liang jt... kasutas pooljuhtlaseri joonelaiuse kokkusurumiseks kõrge Q-kaja seinaresonaatori poolt moodustatud tagurpidi Rayleighi hajumise enesesüstimise tagasisidet, nagu on näidatud joonisel 1, ja sai lõpuks kitsa joonelaiusega laseri väljundi 160 Hz.
Joonis 1 (a) Pooljuhtlaseri joonelaiuse kokkusurumise diagramm, mis põhineb välise sosistamisgalerii moodi resonaatori isesüstival Rayleighi hajumisel;
(b) vabalt töötava pooljuhtlaseri sagedusspekter joone laiusega 8 MHz;
(c) Laseri sagedusspekter, mille joone laius on kokku surutud 160 Hz-ni
2.1.2 Kitsa joonelaiusega kiudlaser
Lineaarsete õõnsuskiudlaserite puhul saadakse kitsa joonelaiusega ühe pikisuunalise moodi laserväljund resonaatori pikkuse lühendamise ja pikisuunalise moodi intervalli suurendamise teel. 2004. aastal said Spiegelberg jt DBR lühikese õõnsuse meetodi abil ühe pikisuunalise moodi kitsa joonelaiusega laserväljundi joonelaiusega 2 kHz. 2007. aastal kasutasid Shen jt 2 cm pikkust tugevalt erbiumiga legeeritud ränikiudu, et kirjutada FBG Bi-Ge kaaslegeeritud valgustundlikule kiule ja sulatati see aktiivkiuga, moodustades kompaktse lineaarse õõnsuse, muutes selle laseri väljundjoone laiuseks alla 1 kHz. 2010. aastal kasutasid Yang jt 2 cm pikkust tugevalt legeeritud lühikest lineaarset õõnsust koos kitsaribalise FBG-filtriga, et saada ühe pikisuunalise moodi laserväljund joonelaiusega alla 2 kHz. 2014. aastal kasutas meeskond lühikest lineaarset õõnsust (virtuaalset volditud rõngasresonaatorit) koos FBG-FP filtriga, et saada kitsama joonelaiusega laseri väljund, nagu on näidatud joonisel 3. 2012. aastal kasutasid Cai jt 1,4 cm pikkust lühikest õõnsusstruktuuri, et saada polariseeriv laseri väljundvõimsusega üle 114 mW, keskmise lainepikkusega 1540,3 nm ja joonelaiusega 4,1 kHz. 2013. aastal kasutasid Meng jt erbiumiga legeeritud kiu Brillouini hajumist täisnihke säilitava seadme lühikese rõngasõõnsusega, et saada ühe pikisuunalise moodiga, madala faasimüraga laseri väljundvõimsusega 10 mW. 2015. aastal kasutas meeskond Brillouini hajumise võimenduskeskkonnana 45 cm pikkusest erbiumiga legeeritud kiust koosnevat rõngasõõnsust, et saada madala läviväärtusega ja kitsa joonelaiusega laseri väljund.
Joonis 2 (a) SLC-kiudlaseri skemaatiline joonis;
(b) Heterodüünsignaali joonekuju, mõõdetuna 97,6 km kiu viivitusega
Postituse aeg: 20. november 2023