Լազերային աղբյուրի տեխնոլոգիա օպտիկական մանրաթելային զգայունակության համար, մաս մեկ

Լազերային աղբյուրի տեխնոլոգիաօպտիկական մանրաթելզգայունություն Մաս մեկ

Օպտիկական մանրաթելային զգայունության տեխնոլոգիան զգայունության տեխնոլոգիա է, որը զարգացել է օպտիկական մանրաթելային և օպտիկական մանրաթելային կապի տեխնոլոգիայի հետ մեկտեղ և դարձել է ֆոտոէլեկտրական տեխնոլոգիայի ամենաակտիվ ճյուղերից մեկը: Օպտիկական մանրաթելային զգայունության համակարգը հիմնականում բաղկացած է լազերից, փոխանցող մանրաթելից, զգայուն տարրից կամ մոդուլյացիայի տարածքից, լույսի հայտնաբերումից և այլ մասերից: Լույսի ալիքի բնութագրերը նկարագրող պարամետրերն են ինտենսիվությունը, ալիքի երկարությունը, փուլը, բևեռացման վիճակը և այլն: Այս պարամետրերը կարող են փոխվել օպտիկական մանրաթելային փոխանցման արտաքին ազդեցությունների պատճառով: Օրինակ, երբ ջերմաստիճանը, լարվածությունը, ճնշումը, հոսանքը, տեղաշարժը, տատանումը, պտույտը, ծռումը և քիմիական քանակը ազդում են օպտիկական ուղու վրա, այդ պարամետրերը համապատասխանաբար փոխվում են: Օպտիկական մանրաթելային զգայունությունը հիմնված է այս պարամետրերի և արտաքին գործոնների միջև եղած կապի վրա՝ համապատասխան ֆիզիկական մեծությունները հայտնաբերելու համար:

Կան բազմաթիվ տեսակներլազերային աղբյուրօպտիկական մանրաթելային զգայուն համակարգերում օգտագործվող, որոնք կարելի է բաժանել երկու կատեգորիայի՝ կոհերենտլազերային աղբյուրներև անհամատեղելի լույսի աղբյուրներ, անհամատեղելիլույսի աղբյուրներհիմնականում ներառում են շիկացման լույս և լուսարձակող դիոդներ, իսկ կոհերենտ լույսի աղբյուրները՝ պինդ լազերներ, հեղուկ լազերներ, գազային լազերներ,կիսահաղորդչային լազերևմանրաթելային լազերՀետևյալը հիմնականում նախատեսված էլազերային լույսի աղբյուրՎերջին տարիներին մանրաթելային զգայունության ոլորտում լայնորեն կիրառվող՝ նեղ գծի լայնությամբ միահաճախական լազեր, միաալիքային երկարությամբ սկանավորման հաճախականության լազեր և սպիտակ լազեր։

1.1 Նեղ գծի լայնության պահանջներըլազերային լույսի աղբյուրներ

Օպտիկական մանրաթելային զգայուն համակարգը չի կարող առանձնացվել լազերային աղբյուրից, քանի որ չափվող ազդանշանի կրիչի լուսային ալիքը, լազերային լույսի աղբյուրի աշխատանքը, ինչպիսիք են հզորության կայունությունը, լազերային գծի լայնությունը, փուլային աղմուկը և այլ պարամետրեր օպտիկական մանրաթելային զգայուն համակարգի հայտնաբերման հեռավորության, հայտնաբերման ճշգրտության, զգայունության և աղմուկի բնութագրերի վրա վճռորոշ դեր են խաղում: Վերջին տարիներին, մեծ հեռավորությունների գերբարձր լուծաչափով օպտիկական մանրաթելային զգայուն համակարգերի զարգացման հետ մեկտեղ, ակադեմիական շրջանակներն ու արդյունաբերությունը ավելի խիստ պահանջներ են առաջադրել լազերային մանրացման գծի լայնության աշխատանքի համար, հիմնականում հետևյալ ոլորտներում. օպտիկական հաճախականության տիրույթի արտացոլման (OFDR) տեխնոլոգիան օգտագործում է կոհերենտ հայտնաբերման տեխնոլոգիա՝ օպտիկական մանրաթելերի հետադարձ ճառագայթային ցրված ազդանշանները վերլուծելու համար հաճախականության տիրույթում՝ լայն ծածկույթով (հազարավոր մետր): Բարձր լուծաչափի (միլիմետրային մակարդակի լուծաչափ) և բարձր զգայունության (մինչև -100 դԲմ) առավելությունները դարձել են բաշխված օպտիկական մանրաթելային չափման և զգայունության տեխնոլոգիայի լայն կիրառման հեռանկարներ ունեցող տեխնոլոգիաներից մեկը: OFDR տեխնոլոգիայի միջուկը կարգավորելի լույսի աղբյուրի օգտագործումն է՝ օպտիկական հաճախականության կարգավորում ապահովելու համար, ուստի լազերային աղբյուրի աշխատանքը որոշում է այնպիսի հիմնական գործոններ, ինչպիսիք են OFDR հայտնաբերման հեռավորությունը, զգայունությունը և լուծաչափը: Երբ անդրադարձման կետի հեռավորությունը մոտ է կոհերենտության երկարությանը, բաբախյունի ազդանշանի ինտենսիվությունը կնվազի էքսպոնենցիալ τ/τc գործակցով։ Սպեկտրալ ձև ունեցող գաուսյան լույսի աղբյուրի համար, բաբախյունի հաճախականության 90%-ից ավելի տեսանելիությունն ապահովելու համար, լույսի աղբյուրի գծի լայնության և համակարգի կողմից հնարավոր առավելագույն զգայունության երկարության միջև կապը Lmax~0.04vg/f է, ինչը նշանակում է, որ 80 կմ երկարությամբ մանրաթելի համար լույսի աղբյուրի գծի լայնությունը 100 Հց-ից պակաս է։ Բացի այդ, այլ կիրառությունների զարգացումը նույնպես առաջ է քաշել լույսի աղբյուրի գծի լայնության ավելի բարձր պահանջներ։ Օրինակ՝ օպտիկական մանրաթելային հիդրոֆոնային համակարգում լույսի աղբյուրի գծի լայնությունը որոշում է համակարգի աղմուկը և նաև համակարգի նվազագույն չափելի ազդանշանը։ Բրիլլուենի օպտիկական ժամանակի տիրույթի արտացոլիչում (BOTDR) ջերմաստիճանի և լարվածության չափման լուծաչափը հիմնականում որոշվում է լույսի աղբյուրի գծի լայնությամբ։ Ռեզոնատորային օպտիկամանրաթելային գիրոսկոպում լույսի ալիքի կոհերենտության երկարությունը կարելի է մեծացնել՝ նվազեցնելով լույսի աղբյուրի գծի լայնությունը, դրանով իսկ բարելավելով ռեզոնատորի նրբությունը և ռեզոնանսային խորությունը, նվազեցնելով ռեզոնատորի գծի լայնությունը և ապահովելով օպտիկամանրաթելային գիրոսի չափման ճշգրտությունը։

1.2 Սահող լազերային աղբյուրների պահանջները

Միալիքի երկարությամբ լազերը ունի ճկուն ալիքի երկարության կարգավորման կատարողականություն, կարող է փոխարինել բազմակի ելքային ֆիքսված ալիքի երկարությամբ լազերներին, նվազեցնել համակարգի կառուցման արժեքը, օպտիկական մանրաթելային զգայուն համակարգի անփոխարինելի մասն է կազմում: Օրինակ, հետքային գազի մանրաթելային զգայունության դեպքում տարբեր տեսակի գազեր ունեն տարբեր գազի կլանման գագաթնակետեր: Չափման գազի բավարար լինելու դեպքում լույսի կլանման արդյունավետությունն ապահովելու և չափման ավելի բարձր զգայունություն ապահովելու համար անհրաժեշտ է համապատասխանեցնել թափանցող լույսի աղբյուրի ալիքի երկարությունը գազի մոլեկուլի կլանման գագաթնակետին: Հայտնաբերվող գազի տեսակը էապես որոշվում է զգայուն լույսի աղբյուրի ալիքի երկարությամբ: Հետևաբար, կայուն լայնաշերտ կարգավորման կատարողականությամբ նեղ գծի լայնությամբ լազերները նման զգայուն համակարգերում ունեն ավելի բարձր չափման ճկունություն: Օրինակ, որոշ բաշխված օպտիկական մանրաթելային զգայուն համակարգերում, որոնք հիմնված են օպտիկական հաճախականության տիրույթի արտացոլման վրա, լազերը պետք է արագորեն պարբերաբար մաքրվի՝ օպտիկական ազդանշանների բարձր ճշգրտությամբ կոհերենտ հայտնաբերման և դեմոդուլյացիայի հասնելու համար, ուստի լազերի աղբյուրի մոդուլյացիայի արագությունը համեմատաբար բարձր պահանջներ ունի, և կարգավորվող լազերի մաքրման արագությունը սովորաբար պահանջվում է հասնել 10 պմ/μվրկ: Բացի այդ, ալիքի երկարությամբ կարգավորվող նեղ գծի լայնությամբ լազերը կարող է լայնորեն կիրառվել նաև liDAR-ում, լազերային հեռազննման և բարձր թույլտվությամբ սպեկտրալ վերլուծության մեջ և այլ զգայարանների ոլորտներում: Մանրաթելային զգայարանների ոլորտում միալիքային լազերների կարգավորման թողունակության, կարգավորման ճշգրտության և կարգավորման արագության բարձր արդյունավետության պարամետրերի պահանջները բավարարելու համար, վերջին տարիներին կարգավորվող նեղ լայնությամբ մանրաթելային լազերների ուսումնասիրության ընդհանուր նպատակն է հասնել բարձր ճշգրտության կարգավորման ավելի մեծ ալիքի երկարության տիրույթում՝ հիմնվելով գերնեղ լազերային գծի լայնության, գերցածր փուլային աղմուկի և գերկայուն ելքային հաճախականության և հզորության որոնման վրա:

1.3 Սպիտակ լազերային լույսի աղբյուրի պահանջարկը

Օպտիկական զգայունության ոլորտում բարձրորակ սպիտակ լույսի լազերը մեծ նշանակություն ունի համակարգի աշխատանքի բարելավման համար: Որքան լայն է սպիտակ լույսի լազերի սպեկտրի ծածկույթը, այնքան ավելի լայն է դրա կիրառումը օպտիկական մանրաթելային զգայունության համակարգում: Օրինակ, երբ սենսորային ցանց կառուցելու համար օգտագործվում է մանրաթելային Բրեգգի ցանց (FBG), դեմոդուլյացիայի համար կարող է օգտագործվել սպեկտրալ վերլուծություն կամ կարգավորվող ֆիլտրի համապատասխանեցման մեթոդ: Առաջինը օգտագործում էր սպեկտրոմետր՝ ցանցում յուրաքանչյուր FBG ռեզոնանսային ալիքի երկարությունը ուղղակիորեն ստուգելու համար: Վերջինս օգտագործում է հղման ֆիլտր՝ զգայունության մեջ FBG-ն հետևելու և կարգաբերելու համար, որոնցից երկուսն էլ պահանջում են լայնաշերտ լույսի աղբյուր՝ որպես FBG-ի փորձարկման լույսի աղբյուր: Քանի որ յուրաքանչյուր FBG մուտքի ցանց կունենա որոշակի ներդրման կորուստ և ավելի քան 0.1 նմ թողունակություն, բազմաթիվ FBG-ների միաժամանակյա դեմոդուլյացիան պահանջում է լայնաշերտ լույսի աղբյուր՝ բարձր հզորությամբ և բարձր թողունակությամբ: Օրինակ, երբ զգայունության համար օգտագործվում է երկարատև մանրաթելային ցանց (LPFG), քանի որ մեկ կորստի գագաթնակետի թողունակությունը մոտ 10 նմ է, դրա ռեզոնանսային գագաթնակետի բնութագրերը ճշգրիտ բնութագրելու համար անհրաժեշտ է լայն սպեկտրի լույսի աղբյուր՝ բավարար թողունակությամբ և համեմատաբար հարթ սպեկտրով: Մասնավորապես, ակուստիկ-օպտիկական էֆեկտի օգտագործմամբ կառուցված ակուստիկ մանրաթելային ցանցը (AIFG) կարող է հասնել մինչև 1000 նմ ռեզոնանսային ալիքի երկարության կարգավորման միջակայքի էլեկտրական կարգավորման միջոցով: Հետևաբար, նման գերլայն կարգավորման միջակայքով դինամիկ ցանցի փորձարկումը մեծ մարտահրավեր է ներկայացնում լայն սպեկտրի լույսի աղբյուրի թողունակության միջակայքի համար: Նմանապես, վերջին տարիներին, թեքված Բրեգգի մանրաթելային ցանցը նույնպես լայնորեն օգտագործվել է մանրաթելային զգայունության ոլորտում: Իր բազմագագաթ կորստի սպեկտրի բնութագրերի շնորհիվ, ալիքի երկարության բաշխման միջակայքը սովորաբար կարող է հասնել 40 նմ: Դրա զգայունության մեխանիզմը սովորաբար բազմաթիվ փոխանցման գագաթների միջև հարաբերական շարժման համեմատումն է, ուստի անհրաժեշտ է ամբողջությամբ չափել դրա փոխանցման սպեկտրը: Լայն սպեկտրի լույսի աղբյուրի թողունակությունը և հզորությունը պետք է ավելի բարձր լինեն:

2. Հետազոտական ​​կարգավիճակը հայրենիքում և արտերկրում

2.1 Նեղ գծի լայնությամբ լազերային լույսի աղբյուր

2.1.1 Նեղ գծի լայնությամբ կիսահաղորդչային բաշխված հետադարձ կապի լազեր

2006 թվականին Կլիշեն և այլք նվազեցրին կիսահաղորդչային համակարգի ՄՀց սանդղակը։DFB լազեր(բաշխված հետադարձ լազեր) կՀց մասշտաբով՝ օգտագործելով էլեկտրական հետադարձ կապի մեթոդը։ 2011 թվականին Քեսլերը և այլք օգտագործել են ցածր ջերմաստիճանի և բարձր կայունության միաբյուրեղային խոռոչ՝ համակցված ակտիվ հետադարձ կապի կառավարման հետ՝ 40 ՄՀց գերնեղ գծի լայնությամբ լազերային ելք ստանալու համար։ 2013 թվականին Պենգը և այլք ստացել են կիսահաղորդչային լազերային ելք՝ 15 կՀց գծի լայնությամբ՝ օգտագործելով արտաքին Ֆաբրի-Պերոյի (FP) հետադարձ կապի կարգավորման մեթոդը։ Էլեկտրական հետադարձ կապի մեթոդը հիմնականում օգտագործել է Պոնդ-Դրևեր-Հոլի հաճախականության կայունացման հետադարձ կապը՝ լույսի աղբյուրի լազերային գծի լայնությունը նվազեցնելու համար։ 2010 թվականին Բեռնհարդին և այլք արտադրել են 1 սմ էրբիումով լեգիրված ալյումինե FBG սիլիցիումի օքսիդի հիմքի վրա՝ մոտ 1.7 կՀց գծի լայնությամբ լազերային ելք ստանալու համար։ Նույն թվականին Լիանգը և այլք։ օգտագործվեց կիսահաղորդչային լազերային գծի լայնության սեղմման համար բարձր Q արձագանքի պատի ռեզոնատորի կողմից ձևավորված հակադարձ Ռելեյի ցրման ինքնաներարկման հետադարձ հետադարձ կապը, ինչպես ցույց է տրված նկար 1-ում, և վերջապես ստացվեց 160 Հց նեղ գծի լայնության լազերային ելք։

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

Գծային խոռոչային մանրաթելային լազերների համար նեղ գծային լայնությամբ լազերային ելքը ստացվում է ռեզոնատորի երկարությունը կրճատելով և երկայնական ռեժիմի միջակայքը մեծացնելով: 2004 թվականին Շպիգելբերգը և այլք ստացան 2 կՀց գծային լայնությամբ մեկ երկայնական ռեժիմի նեղ գծային լայնությամբ լազերային ելք՝ օգտագործելով DBR կարճ խոռոչի մեթոդը: 2007 թվականին Շենը և այլք օգտագործեցին 2 սմ տրամագծով ծանր էրբիումով լազերային մանրաթել՝ Bi-Ge համատեղ լազերային լուսազգայուն մանրաթելի վրա FBG գրելու համար և միացրին այն ակտիվ մանրաթելի հետ՝ ձևավորելով կոմպակտ գծային խոռոչ, որի արդյունքում լազերային ելքային գծի լայնությունը դարձավ 1 կՀց-ից պակաս: 2010 թվականին Յանգը և այլք օգտագործեցին 2 սմ տրամագծով բարձր լազերային կարճ գծային խոռոչ՝ զուգակցված նեղաշերտ FBG ֆիլտրի հետ՝ 2 կՀց-ից պակաս գծային լայնությամբ մեկ երկայնական ռեժիմի լազերային ելք ստանալու համար: 2014 թվականին թիմը օգտագործեց կարճ գծային խոռոչ (վիրտուալ ծալված օղակաձև ռեզոնատոր)՝ զուգակցված FBG-FP ֆիլտրի հետ՝ ավելի նեղ գծի լայնությամբ լազերային ելք ստանալու համար, ինչպես ցույց է տրված նկար 3-ում: 2012 թվականին Քայը և իր գործընկերները օգտագործեցին 1.4 սմ կարճ խոռոչի կառուցվածք՝ 114 մՎտ-ից մեծ ելքային հզորությամբ, 1540.3 նմ կենտրոնական ալիքի երկարությամբ և 4.1 կՀց գծի լայնությամբ բևեռացնող լազերային ելք ստանալու համար: 2013 թվականին Մենգը և իր գործընկերները օգտագործեցին էրբիումով լեգիրված մանրաթելի Բրիլլուինի ցրումը լրիվ լարման պահպանման սարքի կարճ օղակաձև խոռոչով՝ 10 մՎտ ելքային հզորությամբ միակողմանի ռեժիմի, ցածր փուլային աղմուկի լազերային ելք ստանալու համար: 2015 թվականին թիմը օգտագործեց 45 սմ էրբիումով լեգիրված մանրաթելից կազմված օղակաձև խոռոչ՝ որպես Բրիլլուինի ցրման ուժ՝ ցածր շեմային և նեղ գծի լայնությամբ լազերային ելք ստանալու համար:

Նկ. 2 (ա) SLC մանրաթելային լազերի սխեմատիկ նկարը։
(բ) Հետերոդինային ազդանշանի գծի ձևը, չափված 97.6 կմ մանրաթելային ուշացմամբ