Լազերային աղբյուրի տեխնոլոգիա օպտիկական մանրաթելերի զգայության համար Մաս Առաջին

Լազերային աղբյուրի տեխնոլոգիանօպտիկական մանրաթելզգալով Մաս Առաջին

Օպտիկական մանրաթելերի զգայական տեխնոլոգիան մի տեսակ զգայական տեխնոլոգիա է, որը մշակվել է օպտիկամանրաթելային տեխնոլոգիայի և օպտիկամանրաթելային կապի տեխնոլոգիայի հետ միասին, և այն դարձել է ֆոտոէլեկտրական տեխնոլոգիայի ամենաակտիվ ճյուղերից մեկը: Օպտիկական մանրաթելերի զգայական համակարգը հիմնականում բաղկացած է լազերից, փոխանցման մանրաթելից, զգայական տարրից կամ մոդուլյացիայի տարածքից, լույսի հայտնաբերումից և այլ մասերից: Լույսի ալիքի բնութագրերը նկարագրող պարամետրերը ներառում են ինտենսիվությունը, ալիքի երկարությունը, փուլը, բևեռացման վիճակը և այլն։ Օրինակ, երբ ջերմաստիճանը, լարվածությունը, ճնշումը, հոսանքը, տեղաշարժը, թրթռումը, ռոտացիան, կռումը և քիմիական քանակությունը ազդում են օպտիկական ուղու վրա, այդ պարամետրերը համապատասխանաբար փոխվում են: Օպտիկական մանրաթելերի զգայությունը հիմնված է այս պարամետրերի և արտաքին գործոնների միջև փոխհարաբերությունների վրա՝ համապատասխան ֆիզիկական մեծությունները հայտնաբերելու համար:

Կան բազմաթիվ տեսակներլազերային աղբյուրօգտագործվում է օպտիկամանրաթելային զգայական համակարգերում, որոնք կարելի է բաժանել երկու կատեգորիաների՝ համահունչլազերային աղբյուրներև անհամապատասխան լույսի աղբյուրներ, անհամապատասխանլույսի աղբյուրներհիմնականում ներառում են շիկացած լույս և լուսարձակող դիոդներ, իսկ համահունչ լույսի աղբյուրները ներառում են պինդ լազերներ, հեղուկ լազերներ, գազային լազերներ,կիսահաղորդչային լազերևմանրաթելային լազեր. Հետևյալը հիմնականում նախատեսված էլազերային լույսի աղբյուրՎերջին տարիներին լայնորեն կիրառվում է մանրաթելային զգայության ոլորտում՝ նեղ գծի լայնությամբ միահաճախական լազեր, մեկ ալիքի ավլման հաճախականության լազեր և սպիտակ լազեր:

1.1 Նեղ գծի լայնության պահանջներըլազերային լույսի աղբյուրներ

Օպտիկամանրաթելային զգայական համակարգը չի կարող առանձնացվել լազերային աղբյուրից, քանի որ չափված ազդանշանի կրիչի լույսի ալիքը, լազերային լույսի աղբյուրի ինքնին կատարումը, ինչպիսիք են էներգիայի կայունությունը, լազերային գծի լայնությունը, փուլային աղմուկը և օպտիկամանրաթելային զգայական համակարգի հայտնաբերման հեռավորությունը, հայտնաբերումը: ճշգրտությունը, զգայունությունը և աղմուկի բնութագրերը որոշիչ դեր են խաղում: Վերջին տարիներին, հեռահար գերբարձր լուծաչափով օպտիկամանրաթելային զգայական համակարգերի մշակմամբ, ակադեմիան և արդյունաբերությունը ավելի խիստ պահանջներ են առաջադրել լազերային մանրանկարչության գծի լայնության կատարման համար, հիմնականում՝ օպտիկական հաճախականության տիրույթի արտացոլման (OFDR) տեխնոլոգիան օգտագործում է համահունչ: հայտնաբերման տեխնոլոգիա՝ հաճախականության տիրույթում օպտիկական մանրաթելերի հետին ցրված ազդանշանները վերլուծելու համար՝ լայն ծածկույթով (հազար մետր): Բարձր լուծաչափի (միլիմետրային մակարդակի լուծաչափի) և բարձր զգայունության (մինչև -100 դԲմ) առավելությունները դարձել են օպտիկական մանրաթելերի բաշխված չափման և զգայական տեխնոլոգիայի լայն կիրառման հեռանկար ունեցող տեխնոլոգիաներից մեկը: OFDR տեխնոլոգիայի առանցքը կարգավորելի լույսի աղբյուրի օգտագործումն է օպտիկական հաճախականության թյունինգի հասնելու համար, ուստի լազերային աղբյուրի կատարումը որոշում է այն հիմնական գործոնները, ինչպիսիք են OFDR հայտնաբերման տիրույթը, զգայունությունը և լուծումը: Երբ անդրադարձման կետի հեռավորությունը մոտ է համակցվածության երկարությանը, հարվածային ազդանշանի ինտենսիվությունը էքսպոնենցիալ կերպով կթուլանա τ/τc գործակցով: Սպեկտրալ ձևով Գաուսի լույսի աղբյուրի համար, որպեսզի ապահովվի, որ հարվածի հաճախականությունը ունի ավելի քան 90% տեսանելիություն, լույսի աղբյուրի գծի լայնության և առավելագույն զգայական երկարության միջև կապը, որը կարող է հասնել համակարգը, Lmax~0.04vg է: /f, ինչը նշանակում է, որ 80 կմ երկարություն ունեցող մանրաթելի համար լույսի աղբյուրի գծի լայնությունը 100 Հց-ից պակաս է։ Բացի այդ, այլ հավելվածների մշակումը նաև ավելի բարձր պահանջներ է առաջադրում լույսի աղբյուրի գծի լայնության համար: Օրինակ, օպտիկամանրաթելային հիդրոֆոնային համակարգում լույսի աղբյուրի գծի լայնությունը որոշում է համակարգի աղմուկը և նաև որոշում է համակարգի նվազագույն չափելի ազդանշանը: Brillouin-ի օպտիկական ժամանակի տիրույթի ռեֆլեկտորում (BOTDR) ջերմաստիճանի և լարվածության չափման լուծումը հիմնականում որոշվում է լույսի աղբյուրի գծի լայնությամբ: Ռեզոնատորի օպտիկամանրաթելային գիրոյում լույսի ալիքի համակցվածության երկարությունը կարող է մեծացվել՝ նվազեցնելով լույսի աղբյուրի գծի լայնությունը՝ դրանով իսկ բարելավելով ռեզոնատորի նուրբությունն ու ռեզոնանսային խորությունը, նվազեցնելով ռեզոնատորի գծի լայնությունը և ապահովելով չափումը։ օպտիկամանրաթելային գիրոզի ճշգրտությունը:

1.2 Մաքրող լազերային աղբյուրների պահանջները

Մեկ ալիքի ավլման լազերը ունի ճկուն ալիքի երկարության թյունինգի կատարում, կարող է փոխարինել մի քանի ելքային ֆիքսված ալիքի երկարությամբ լազերներ, նվազեցնել համակարգի կառուցման արժեքը, օպտիկական մանրաթելերի զգայական համակարգի անփոխարինելի մասն է: Օրինակ, գազի մանրաթելերի հետագծման մեջ տարբեր տեսակի գազեր ունեն գազի կլանման տարբեր գագաթներ: Լույսի կլանման արդյունավետությունն ապահովելու համար, երբ չափման գազը բավարար է և հասնելու ավելի բարձր չափման զգայունության, անհրաժեշտ է հավասարեցնել հաղորդման լույսի աղբյուրի ալիքի երկարությունը գազի մոլեկուլի կլանման գագաթնակետին: Գազի տեսակը, որը կարելի է հայտնաբերել, ըստ էության որոշվում է զգայուն լույսի աղբյուրի ալիքի երկարությամբ: Հետևաբար, լայնաշերտ լայնաշերտ թյունինգի կայուն կատարմամբ նեղ գծի լայնությամբ լազերները նման զգայական համակարգերում չափման ավելի բարձր ճկունություն ունեն: Օրինակ, օպտիկական հաճախականության տիրույթի արտացոլման վրա հիմնված բաշխված օպտիկամանրաթելային զգայական համակարգերում լազերը պետք է պարբերաբար մաքրվի, որպեսզի հասնի օպտիկական ազդանշանների բարձր ճշգրտության համահունչ հայտնաբերման և դեմոդուլյացիայի, ուստի լազերային աղբյուրի մոդուլյացիայի արագությունը համեմատաբար բարձր պահանջներ ունի: , և կարգավորվող լազերի մաքրման արագությունը սովորաբար պահանջվում է հասնել 10 pm/μs-ի: Բացի այդ, ալիքի երկարությամբ կարգավորվող նեղ գծի լայնությամբ լազերը կարող է նաև լայնորեն օգտագործվել liDAR-ում, լազերային հեռահար զոնդավորման և բարձր լուծաչափի սպեկտրային վերլուծության և այլ զգայական դաշտերում: Օպտիկամանրաթելային զգայունության ոլորտում թյունինգի թողունակության, թյունինգի ճշգրտության և թյունինգի ճշգրտության և թյունինգի արագության բարձր կատարողական պարամետրերի պահանջները բավարարելու համար մանրաթելային զգայության ոլորտում, վերջին տարիներին կարգավորելի նեղ լայնությամբ մանրաթելային լազերների ուսումնասիրության ընդհանուր նպատակն է հասնել բարձր ճշգրիտ թյունինգ ավելի մեծ ալիքի երկարության միջակայքում՝ հիմնված գերնեղ լազերային գծի լայնության, ծայրահեղ ցածր փուլային աղմուկի և ծայրահեղ կայուն ելքային հաճախականության և հզորության վրա:

1.3 Սպիտակ լազերային լույսի աղբյուրի պահանջարկ

Օպտիկական զգայության ոլորտում բարձրորակ սպիտակ լույսի լազերը մեծ նշանակություն ունի համակարգի աշխատանքը բարելավելու համար: Որքան լայն է սպիտակ լույսի լազերի սպեկտրի ծածկույթը, այնքան ավելի լայն է դրա կիրառումը օպտիկամանրաթելային զգայական համակարգում: Օրինակ, երբ օպտիկամանրաթելային Bragg grating (FBG) օգտագործվում է սենսորային ցանց կառուցելու համար, սպեկտրային վերլուծությունը կամ կարգավորելի ֆիլտրի համապատասխանության մեթոդը կարող է օգտագործվել դեմոդուլյացիայի համար: Առաջինն օգտագործում էր սպեկտրոմետր՝ ուղղակիորեն փորձարկելու յուրաքանչյուր FBG ռեզոնանսային ալիքի երկարությունը ցանցում: Վերջինս օգտագործում է տեղեկատու զտիչ՝ FBG-ին զգայության մեջ հետևելու և չափորոշելու համար, որոնք երկուսն էլ պահանջում են լայնաշերտ լույսի աղբյուր՝ որպես FBG-ի փորձարկման լույսի աղբյուր: Քանի որ յուրաքանչյուր FBG մուտքի ցանց կունենա ներդրման որոշակի կորուստ և ունի 0,1 նմ-ից ավելի թողունակություն, բազմակի FBG-ի միաժամանակյա դեմոդուլյացիան պահանջում է լայնաշերտ լույսի աղբյուր՝ բարձր հզորությամբ և բարձր թողունակությամբ: Օրինակ, երբ օգտագործվում է երկարաժամկետ մանրաթելային ցանց (LPFG) զգայության համար, քանի որ մեկ կորստի գագաթնակետի թողունակությունը կազմում է 10 նմ, դրա ռեզոնանսը ճշգրիտ բնութագրելու համար անհրաժեշտ է լայն սպեկտրի լույսի աղբյուր՝ բավարար թողունակությամբ և համեմատաբար հարթ սպեկտրով: գագաթնակետային բնութագրերը. Մասնավորապես, ակուստիկ մանրաթելային ցանցը (AIFG), որը կառուցված է ակուստո-օպտիկական էֆեկտի կիրառմամբ, կարող է էլեկտրական թյունինգի միջոցով հասնել ռեզոնանսային ալիքի երկարության թյունինգի տիրույթի մինչև 1000 նմ: Հետևաբար, դինամիկ վանդակաճաղերի փորձարկումը նման ծայրահեղ լայն թյունինգի տիրույթով մեծ մարտահրավեր է լայն սպեկտրի լույսի աղբյուրի թողունակության տիրույթին: Նմանապես, վերջին տարիներին թեքված Bragg մանրաթելային ցանցը նույնպես լայնորեն օգտագործվում է մանրաթելերի զգայության ոլորտում: Շնորհիվ իր բազմագագաթային կորստի սպեկտրի բնութագրերի, ալիքի երկարության բաշխման տիրույթը սովորաբար կարող է հասնել 40 նմ: Նրա զգայական մեխանիզմը սովորաբար համեմատում է փոխանցման մի քանի գագաթների միջև հարաբերական շարժումը, ուստի անհրաժեշտ է ամբողջությամբ չափել դրա փոխանցման սպեկտրը: Լայն սպեկտրի լույսի աղբյուրի թողունակությունը և հզորությունը պահանջվում է ավելի բարձր լինել:

2. Հետազոտության կարգավիճակը տանը և արտերկրում

2.1 Նեղ գծի լայնության լազերային լույսի աղբյուր

2.1.1 Նեղ գծի լայնությամբ կիսահաղորդչային բաշխված հետադարձ լազեր

2006 թվականին Կլիշը և այլք. նվազեցրեց կիսահաղորդիչների ՄՀց սանդղակըDFB լազեր(բաշխված հետադարձ լազեր) մինչև կՀց սանդղակ՝ օգտագործելով էլեկտրական հետադարձ կապի մեթոդը; 2011 թվականին Քեսլերը և այլք. օգտագործվում է ցածր ջերմաստիճան և բարձր կայուն մեկ բյուրեղյա խոռոչ՝ զուգակցված հետադարձ կապի ակտիվ հսկողության հետ՝ 40 ՄՀց ծայրահեղ նեղ գծի լայնությամբ լազերային ելք ստանալու համար; 2013 թվականին Փենգը և այլոք ստացան կիսահաղորդչային լազերային ելք՝ 15 կՀց գծի լայնությամբ՝ օգտագործելով արտաքին Fabry-Perot (FP) հետադարձ կապի ճշգրտման մեթոդը։ Էլեկտրական հետադարձ կապի մեթոդը հիմնականում օգտագործում էր Pond-Drever-Hall հաճախականության կայունացման արձագանքը՝ լույսի աղբյուրի լազերային գծի լայնությունը նվազեցնելու համար: 2010 թվականին Բերնհարդին և այլք. արտադրվել է 1 սմ էրբիումով ներկված ալյումինե FBG սիլիցիումի օքսիդի հիմքի վրա՝ մոտ 1,7 կՀց գծի լայնությամբ լազերային ելք ստանալու համար: Նույն թվականին Լիանգը և այլք. օգտագործեց հետադարձ Ռեյլի ցրման ինքնաներարկման արձագանքը, որը ձևավորվել էր բարձր Q արձագանքային պատի ռեզոնատորով կիսահաղորդչային լազերային գծի լայնության սեղմման համար, ինչպես ցույց է տրված Նկար 1-ում, և վերջապես ստացավ 160 Հց նեղ գծի լայնությամբ լազերային ելք:

Նկ. 1 (ա) Կիսահաղորդչային լազերային գծի լայնության սեղմման դիագրամ՝ հիմնված արտաքին շշուկով պատկերասրահի ռեժիմի ռեզոնատորի ինքնաներարկման Ռեյլի ցրման վրա.
բ) 8 ՄՀց գծի լայնությամբ ազատ գործող կիսահաղորդչային լազերի հաճախականության սպեկտրը.
գ) Լազերի հաճախականության սպեկտրը գծի լայնությամբ սեղմված մինչև 160 Հց
2.1.2 Նեղ գծի լայնությամբ մանրաթելային լազեր

Գծային խոռոչի մանրաթելային լազերների համար մեկ երկայնական ռեժիմի նեղ գծի լայնության լազերային ելքը ստացվում է ռեզոնատորի երկարությունը կրճատելով և երկայնական ռեժիմի միջակայքը մեծացնելով: 2004 թվականին Spiegelberg et al. ստացվել է մեկ երկայնական ռեժիմի նեղ գծի լայնությամբ լազերային ելք՝ 2 կՀց գծի լայնությամբ՝ օգտագործելով DBR կարճ խոռոչի մեթոդը: 2007 թվականին Շենը և այլք. օգտագործեց 2 սմ մեծությամբ էրբիումով դոպավորված սիլիցիումային մանրաթել՝ FBG գրելու համար Bi-Ge համադոպինգավորված ֆոտոզգայուն մանրաթելի վրա, և այն միաձուլեց ակտիվ մանրաթելի հետ՝ ձևավորելով կոմպակտ գծային խոռոչ՝ դարձնելով նրա լազերային ելքային գծի լայնությունը 1 կՀց-ից պակաս: 2010 թվականին Յանգը և այլք. օգտագործել է 2 սմ բարձր դոպինգով կարճ գծային խոռոչ՝ զուգակցված նեղաշերտ FBG ֆիլտրի հետ՝ 2 կՀց-ից պակաս գծի լայնությամբ մեկ երկայնական ռեժիմի լազերային ելք ստանալու համար: 2014 թվականին թիմն օգտագործեց կարճ գծային խոռոչ (վիրտուալ ծալված օղակի ռեզոնատոր)՝ համակցված FBG-FP ֆիլտրի հետ՝ ավելի նեղ գծի լայնությամբ լազերային ելք ստանալու համար, ինչպես ցույց է տրված Նկար 3-ում: 2012 թվականին Cai et al. օգտագործել է 1,4 սմ կարճ խոռոչի կառուցվածք՝ բևեռացնող լազերային ելք ստանալու համար՝ 114 մՎտ-ից ավելի ելքային հզորությամբ, 1540,3 նմ կենտրոնական ալիքի երկարությամբ և 4,1 կՀց գծի լայնությամբ: 2013 թվականին Մենգը և այլք. օգտագործել է էրբիումով դոփված մանրաթելի բրիլյուինի ցրումը լրիվ կողմնակալության պահպանման սարքի կարճ օղակի խոռոչով՝ 10 մՎտ ելքային հզորությամբ մի երկայնական ռեժիմ, ցածր ֆազային աղմուկի լազերային ելք ստանալու համար: 2015 թվականին թիմը օգտագործեց օղակի խոռոչ, որը կազմված էր 45 սմ էրբիումով ներծծված մանրաթելից՝ որպես Բրիլուինի ցրման ձեռքբերման միջոց՝ ցածր շեմ և նեղ գծի լայնությամբ լազերային ելք ստանալու համար:

Նկար 2 (ա) SLC մանրաթելային լազերի սխեմատիկ գծագրում;
բ) Հետերոդինային ազդանշանի գծային ձևը, որը չափվում է 97,6 կմ մանրաթելային ուշացումով