Laserallika tehnoloogia jaoksoptiline kiudesimese osa tunnetamine
Optiliste kiudude sensortehnoloogia on teatud tüüpi andurtehnoloogia, mis on välja töötatud koos optilise kiu tehnoloogia ja optilise kiu sidetehnoloogiaga ning sellest on saanud üks fotoelektritehnoloogia kõige aktiivsemaid harusid.Optilise kiu sensorsüsteem koosneb peamiselt laserist, ülekandekiust, andurielemendist või modulatsioonialast, valgustuvastusest ja muudest osadest.Valguslaine omadusi kirjeldavate parameetrite hulka kuuluvad intensiivsus, lainepikkus, faas, polarisatsiooni olek jne. Neid parameetreid võivad optilise kiu ülekande välismõjud muuta.Näiteks kui temperatuur, deformatsioon, rõhk, vool, nihe, vibratsioon, pöörlemine, painutamine ja keemiline kogus mõjutavad optilist rada, muutuvad need parameetrid vastavalt.Optiliste kiudude tuvastamine põhineb nende parameetrite ja välistegurite vahelisel seosel, et tuvastada vastavad füüsikalised suurused.
On palju liikelaserallikaskasutatakse optiliste kiudude sensorsüsteemides, mis võib jagada kahte kategooriasse: koherentsedlaserallikadja ebajärjekindlad valgusallikad, ebajärjekindladvalgusallikadhõlmavad peamiselt hõõglampe ja valgusdioode ning koherentsete valgusallikate hulka kuuluvad tahked laserid, vedellaserid, gaaslaserid,pooljuhtlaserjakiudlaser.Järgnev on peamiselt mõeldudlaservalgusallikasViimastel aastatel laialdaselt kasutatud kiudude tuvastamise valdkonnas: kitsa joone laiusega ühe sagedusega laser, ühe lainepikkusega pühkimissageduslaser ja valge laser.
1.1 Nõuded kitsale joonelaiuselelaservalgusallikad
Optilise kiu sensorsüsteemi ei saa laseriallikast eraldada, kuna mõõdetud signaalikandja valguslaine, laservalgusallika enda jõudlus, näiteks võimsuse stabiilsus, laseri joonelaius, faasimüra ja muud parameetrid optilise kiu anduri süsteemi tuvastuskaugusel, tuvastamisel määravat rolli mängivad täpsus, tundlikkus ja müraomadused.Viimastel aastatel on kaugmaa ülikõrge eraldusvõimega optiliste kiudude sensorsüsteemide väljatöötamisega akadeemilised ringkonnad ja tööstus esitanud laseri miniaturiseerimise joonelaiuse jõudlusele rangemad nõuded, peamiselt järgmistes valdkondades: optilise sageduspiirkonna peegelduse (OFDR) tehnoloogia kasutab koherentset sagedust. tuvastustehnoloogia laia katvusega (tuhanded meetrid) optiliste kiudude hajutatud signaalide analüüsimiseks sageduspiirkonnas.Kõrge eraldusvõime (millimeetri taseme eraldusvõime) ja kõrge tundlikkuse (kuni -100 dBm) eelised on muutunud üheks tehnoloogiaks, millel on laialdased kasutusvõimalused hajutatud optiliste kiudude mõõtmis- ja tuvastustehnoloogias.OFDR-tehnoloogia tuumaks on optilise sageduse häälestamise saavutamiseks häälestatava valgusallika kasutamine, nii et laserallika jõudlus määrab peamised tegurid, nagu OFDR-i tuvastamise ulatus, tundlikkus ja eraldusvõime.Kui peegelduspunkti kaugus on lähedane koherentsuse pikkusele, nõrgendab löögisignaali intensiivsust eksponentsiaalselt koefitsient τ/τc.Spektraalse kujuga Gaussi valgusallika puhul on löögisageduse üle 90% nähtavuse tagamiseks suhe valgusallika joone laiuse ja maksimaalse tundlikkuse pikkuse vahel, mille süsteem suudab saavutada, Lmax ~ 0,04 vg /f, mis tähendab, et 80 km pikkuse kiu puhul on valgusallika joone laius alla 100 Hz.Lisaks esitas teiste rakenduste arendamine ka kõrgemaid nõudeid valgusallika joonelaiusele.Näiteks optilise kiudhüdrofoni süsteemis määrab valgusallika joonelaius süsteemi müra ja määrab ka süsteemi minimaalse mõõdetava signaali.Brillouini optilise aja domeeni reflektoris (BOTDR) määrab temperatuuri ja pinge mõõtmise eraldusvõime peamiselt valgusallika joonelaius.Resonaatori fiiberoptilises güroskoopis saab valguslaine koherentsuse pikkust suurendada, vähendades valgusallika joone laiust, parandades seeläbi resonaatori peenust ja resonantsi sügavust, vähendades resonaatori joone laiust ja tagades mõõtmise. fiiberoptilise güroskoopi täpsus.
1.2 Pühkimislaserallikatele esitatavad nõuded
Ühe lainepikkusega pühkimislaseril on paindlik lainepikkuse häälestamise jõudlus, see võib asendada mitu fikseeritud lainepikkusega laserit, vähendada süsteemi ehituskulusid, on optiliste kiudude andurisüsteemi asendamatu osa.Näiteks gaasikiu jälgede tuvastamisel on erinevat tüüpi gaasidel erinevad gaasi neeldumispiigid.Selleks, et tagada piisava mõõtegaasi valguse neeldumise efektiivsus ja saavutada suurem mõõtmistundlikkus, on vaja läbiva valgusallika lainepikkus viia vastavusse gaasimolekuli neeldumispiigiga.Tuvastatava gaasi tüüp on põhiliselt määratud sensori valgusallika lainepikkuse järgi.Seetõttu on stabiilse lairibahäälestusega kitsa joonelaiusega laseritel sellistes andurisüsteemides suurem mõõtmispaindlikkus.Näiteks mõnes optilise sageduspiirkonna peegeldusel põhinevates hajutatud optiliste kiudude sensorsüsteemides tuleb laserit kiiresti perioodiliselt pühkida, et saavutada optiliste signaalide ülitäpne koherentne tuvastamine ja demoduleerimine, nii et laserallika modulatsioonikiirusele on suhteliselt kõrged nõuded. , ja reguleeritava laseri pühkimiskiirus peab tavaliselt jõudma 10 pm/μs-ni.Lisaks saab lainepikkusega häälestatavat kitsa joonelaiusega laserit laialdaselt kasutada ka liDAR-is, laserkaugseires ja kõrge eraldusvõimega spektraalanalüüsis ning muudes tuvastusväljades.Ühe lainepikkusega laserite häälestusriba laiuse, häälestamise täpsuse ja häälestuskiiruse kõrgete jõudlusparameetrite nõuete täitmiseks kiudude tuvastamise valdkonnas on viimastel aastatel häälestatavate kitsalaiusega kiudlaserite uurimise üldine eesmärk saavutada kõrge täppishäälestus suuremas lainepikkuse vahemikus, mis põhineb ülikitsa laseri joonelaiuse, ülimadala faasimüra ning ülistabiilse väljundsageduse ja võimsuse saavutamiseks.
1.3 Nõudlus valge laservalgusallika järele
Optilise sensori valdkonnas on kõrge kvaliteediga valge valguse laser süsteemi jõudluse parandamiseks väga oluline.Mida laiem on valge valguse laseri spektri katvus, seda ulatuslikum on selle rakendamine optiliste kiudude andurisüsteemis.Näiteks kui andurivõrgu konstrueerimiseks kasutatakse Fiber Braggi võre (FBG), võib demoduleerimiseks kasutada spektraalanalüüsi või häälestatava filtri sobitamise meetodit.Esimene kasutas spektromeetrit, et testida otseselt iga FBG resonantslainepikkust võrgus.Viimane kasutab FBG jälgimiseks ja kalibreerimiseks anduris võrdlusfiltrit, mis mõlemad nõuavad FBG testvalgusallikana lairiba valgusallikat.Kuna igal FBG juurdepääsuvõrgul on teatav sisestuskadu ja ribalaius on üle 0,1 nm, on mitme FBG samaaegseks demoduleerimiseks vaja suure võimsusega ja suure ribalaiusega lairiba valgusallikat.Näiteks pikaajalise kiudvõre (LPFG) kasutamisel tuvastamiseks, kuna ühe kadu piigi ribalaius on suurusjärgus 10 nm, on selle resonantsi täpseks iseloomustamiseks vajalik piisava ribalaiuse ja suhteliselt tasase spektriga laia spektriga valgusallikas. tippomadused.Eelkõige võib akustilise optilise efekti abil konstrueeritud akustiline kiudvõre (AIFG) saavutada elektrilise häälestamise abil resonantslainepikkuse häälestusvahemiku kuni 1000 nm.Seetõttu on dünaamilise võre testimine sellise ülilaia häälestusvahemikuga suureks väljakutseks laia spektriga valgusallika ribalaiuse vahemikule.Samamoodi on kallutatud Braggi kiudresti viimastel aastatel laialdaselt kasutatud ka kiudude tuvastamise valdkonnas.Tänu oma mitmetipulise kaduspektri omadustele võib lainepikkuste jaotus ulatuda tavaliselt 40 nm-ni.Selle andurmehhanismi eesmärk on tavaliselt võrrelda suhtelist liikumist mitme ülekandepiigi vahel, seega on vaja mõõta selle ülekandespektrit täielikult.Laia spektriga valgusallika ribalaius ja võimsus peavad olema suuremad.
2. Teadustöö staatus kodu- ja välismaal
2.1 Kitsa joonelaiusega laservalgusallikas
2.1.1 Kitsa joonelaiusega pooljuhtide hajutatud tagasiside laser
2006. aastal avaldasid Cliche jt.vähendas pooljuhtide MHz skaalatDFB laser(hajutatud tagasiside laser ) kHz skaalal elektrilise tagasiside meetodil;2011. aastal tegid Kessler jt.kasutatud madala temperatuuri ja kõrge stabiilsusega monokristalliõõnsust koos aktiivse tagasiside juhtimisega, et saada ülikitsa joonelaiusega laserväljund 40 MHz;2013. aastal said Peng jt pooljuhtlaseri väljundi joonelaiusega 15 kHz, kasutades välise Fabry-Peroti (FP) tagasiside reguleerimise meetodit.Elektrilise tagasiside meetodil kasutati peamiselt Pond-Drever-Halli sageduse stabiliseerimise tagasisidet, et vähendada valgusallika laseri joonelaiust.2010. aastal leidsid Bernhardi jt.valmistas 1 cm erbiumiga legeeritud alumiiniumoksiidi FBG ränioksiidsubstraadile, et saada laserväljund, mille joone laius oli umbes 1,7 kHz.Samal aastal avaldasid Liang jt.kasutas pooljuhtlaseriga joonelaiuse tihendamiseks kõrge Q-tasemega kajaseina resonaatori poolt moodustatud tagurpidi Rayleighi hajumise isesissepritse tagasisidet, nagu on näidatud joonisel 1, ja sai lõpuks kitsa joonelaiuse laserväljundi 160 Hz.
Joonis 1 (a) Pooljuhtlaseri joonelaiuse tihendamise skeem, mis põhineb välise sosistava galerii režiimi resonaatori isesissepritse Rayleighi hajumisel;
b) 8 MHz joonelaiusega vabalt töötava pooljuhtlaseri sagedusspekter;
(c) 160 Hz-ni kokkusurutud joonelaiusega laseri sagedusspekter
2.1.2 Kitsa joonelaiusega kiudlaser
Lineaarõõnsusega kiudlaserite puhul saadakse ühe pikisuunalise režiimi kitsa joonelaiusega laserväljund, lühendades resonaatori pikkust ja suurendades pikisuunalise režiimi intervalli.2004. aastal kirjutasid Spiegelberg jt.saadi ühe pikisuunalise režiimi kitsa joonelaiusega laserväljund 2 kHz joonelaiusega, kasutades DBR lühikese õõnsuse meetodit.2007. aastal Shen jt.kasutas 2 cm tugevalt erbiumiga legeeritud ränikiudu FBG kirjutamiseks Bi-Ge kaaslegeeritud valgustundlikule kiule ja sulatas selle aktiivkiuga, et moodustada kompaktne lineaarne õõnsus, muutes selle laseri väljundliini laiuseks alla 1 kHz.2010. aastal Yang jt.kasutas 2 cm tugevalt legeeritud lühikest lineaarset õõnsust kombineerituna kitsariba FBG filtriga, et saada ühe pikisuunalise laserväljundi joone laius alla 2 kHz.2014. aastal kasutas meeskond lühikest lineaarset õõnsust (virtuaalne volditud ringresonaator) kombineerituna FBG-FP filtriga, et saada kitsama joonelaiusega laserväljund, nagu on näidatud joonisel 3. 2012. aastal uurisid Cai et al.kasutas 1,4 cm lühikest õõnsusstruktuuri, et saada polariseeriva laseri väljund, mille väljundvõimsus on suurem kui 114 mW, kesklainepikkus 1540,3 nm ja joone laius 4,1 kHz.2013. aastal tegid Meng jt.kasutas erbiumiga legeeritud kiudude Brillouini hajutamist täisnihke säilitusseadme lühikese rõngasõõnsusega, et saada ühe pikisuunalise režiimiga madalafaasilise müraga laserväljund väljundvõimsusega 10 mW.2015. aastal kasutas töörühm Brillouini hajumise võimenduskeskkonnana 45 cm pikkusest erbiumiga legeeritud kiust koosnevat rõngasõõnsust, et saada madala läve ja kitsa joonelaiusega laserväljund.
Joonis 2 (a) SLC kiudlaseri skemaatiline joonis;
(b) Heterodüüni signaali joonkuju, mõõdetuna 97,6 km kiu viivitusega
Postitusaeg: 20.11.2023