Teknologjia e burimit të lazerit përfibër optikendjeshmëri Pjesa e Parë
Teknologjia e ndjeshmërisë me fibra optike është një lloj teknologjie ndjeshmërie e zhvilluar së bashku me teknologjinë e fibrave optike dhe teknologjinë e komunikimit me fibra optike, dhe është bërë një nga degët më aktive të teknologjisë fotoelektrike. Sistemi i ndjeshmërisë me fibra optike përbëhet kryesisht nga lazeri, fibra transmetuese, elementi ndjesor ose zona e modulimit, zbulimi i dritës dhe pjesë të tjera. Parametrat që përshkruajnë karakteristikat e valës së dritës përfshijnë intensitetin, gjatësinë e valës, fazën, gjendjen e polarizimit, etj. Këta parametra mund të ndryshohen nga ndikimet e jashtme në transmetimin me fibra optike. Për shembull, kur temperatura, tendosja, presioni, rryma, zhvendosja, dridhja, rrotullimi, përkulja dhe sasia kimike ndikojnë në rrugën optike, këto parametra ndryshojnë përkatësisht. Ndjeshmëria me fibra optike bazohet në marrëdhënien midis këtyre parametrave dhe faktorëve të jashtëm për të zbuluar madhësitë fizike përkatëse.
Ka shumë lloje tëburim lazeritë përdorura në sistemet e ndjeshmërisë me fibra optike, të cilat mund të ndahen në dy kategori: koherenteburime lazeridhe burime drite jokoherente, jokoherenteburimet e dritëskryesisht përfshijnë dritën inkandeshente dhe diodat që lëshojnë dritë, dhe burimet koherente të dritës përfshijnë lazerë të ngurtë, lazerë të lëngshëm, lazerë të gazit,lazer gjysmëpërçuesdhelazer me fibraMë poshtë është kryesisht përburim drite lazeriPërdorur gjerësisht në fushën e ndjeshmërisë së fibrave vitet e fundit: lazer me frekuencë të vetme me gjerësi të vijës së ngushtë, lazer me frekuencë sweep me gjatësi vale të vetme dhe lazer i bardhë.
1.1 Kërkesat për gjerësi të ngushtë të vijësburimet e dritës lazer
Sistemi i ndjeshmërisë me fibra optike nuk mund të ndahet nga burimi i lazerit, pasi vala e dritës së bartësit të sinjalit të matur, performanca e vetë burimit të dritës lazer, të tilla si stabiliteti i fuqisë, gjerësia e vijës së lazerit, zhurma e fazës dhe parametra të tjerë në distancën e zbulimit të sistemit të ndjeshmërisë me fibra optike, saktësia e zbulimit, ndjeshmëria dhe karakteristikat e zhurmës luajnë një rol vendimtar. Në vitet e fundit, me zhvillimin e sistemeve të ndjeshmërisë me fibra optike me rezolucion ultra të lartë në distanca të gjata, akademia dhe industria kanë paraqitur kërkesa më të rrepta për performancën e gjerësisë së vijës së miniaturizimit me lazer, kryesisht në: teknologjia e reflektimit të domenit të frekuencës optike (OFDR) përdor teknologjinë e zbulimit koherent për të analizuar sinjalet e shpërndara backrayleigh të fibrave optike në domenin e frekuencës, me një mbulim të gjerë (mijëra metra). Përparësitë e rezolucionit të lartë (rezolucioni i nivelit milimetër) dhe ndjeshmërisë së lartë (deri në -100 dBm) janë bërë një nga teknologjitë me perspektiva të gjera aplikimi në matjen dhe teknologjinë e ndjeshmërisë me fibra optike të shpërndara. Thelbi i teknologjisë OFDR është përdorimi i burimit të dritës së akordueshëm për të arritur akordimin e frekuencës optike, kështu që performanca e burimit të lazerit përcakton faktorë kyç si diapazoni i zbulimit OFDR, ndjeshmëria dhe rezolucioni. Kur distanca e pikës së reflektimit është afër gjatësisë së koherencës, intensiteti i sinjalit të rrahjes do të dobësohet në mënyrë eksponenciale nga koeficienti τ/τc. Për një burim drite Gaussian me formë spektrale, për të siguruar që frekuenca e rrahjes të ketë më shumë se 90% dukshmëri, marrëdhënia midis gjerësisë së vijës së burimit të dritës dhe gjatësisë maksimale të ndjeshmërisë që sistemi mund të arrijë është Lmax~0.04vg/f, që do të thotë se për një fibër me gjatësi prej 80 km, gjerësia e vijës së burimit të dritës është më pak se 100 Hz. Përveç kësaj, zhvillimi i aplikacioneve të tjera gjithashtu paraqet kërkesa më të larta për gjerësinë e vijës së burimit të dritës. Për shembull, në sistemin e hidrofonit me fibra optike, gjerësia e vijës së burimit të dritës përcakton zhurmën e sistemit dhe gjithashtu përcakton sinjalin minimal të matshëm të sistemit. Në reflektorin e domenit optik të kohës Brillouin (BOTDR), rezolucioni i matjes së temperaturës dhe stresit përcaktohet kryesisht nga gjerësia e vijës së burimit të dritës. Në një xhiroskop me fibra optike rezonator, gjatësia e koherencës së valës së dritës mund të rritet duke zvogëluar gjerësinë e vijës së burimit të dritës, duke përmirësuar kështu imtësinë dhe thellësinë e rezonancës së rezonatorit, duke zvogëluar gjerësinë e vijës së rezonatorit dhe duke siguruar saktësinë e matjes së xhiroskopit me fibra optike.
1.2 Kërkesat për burimet lazerike sweep
Lazeri me një gjatësi vale të vetme ka performancë fleksibile të akordimit të valës, mund të zëvendësojë lazerët me gjatësi vale fikse të shumëfishta dalëse, të ulë koston e ndërtimit të sistemit dhe është një pjesë e domosdoshme e sistemit të ndjeshmërisë me fibra optike. Për shembull, në ndjeshmërinë me fibra gazi gjurmë, lloje të ndryshme gazesh kanë maja të ndryshme të thithjes së gazit. Për të siguruar efikasitetin e thithjes së dritës kur gazi i matjes është i mjaftueshëm dhe për të arritur ndjeshmëri më të lartë të matjes, është e nevojshme të përafroni gjatësinë e valës së burimit të dritës së transmetimit me majën e thithjes së molekulës së gazit. Lloji i gazit që mund të zbulohet përcaktohet në thelb nga gjatësia e valës së burimit të dritës ndjesore. Prandaj, lazerët me gjerësi të ngushtë vije me performancë të qëndrueshme të akordimit me brez të gjerë kanë fleksibilitet më të lartë të matjes në sisteme të tilla ndjeshmërie. Për shembull, në disa sisteme të shpërndara të ndjeshmërisë me fibra optike bazuar në reflektimin e domenit të frekuencës optike, lazeri duhet të fshihet shpejt periodikisht për të arritur zbulim koherent me saktësi të lartë dhe demodulim të sinjaleve optike, kështu që shkalla e modulimit të burimit të lazerit ka kërkesa relativisht të larta dhe shpejtësia e fshirjes së lazerit të rregullueshëm zakonisht kërkohet të arrijë 10 pm/μs. Përveç kësaj, lazeri i akordueshëm me gjatësi vale me gjerësi të ngushtë mund të përdoret gjerësisht edhe në liDAR, teledeteksionin me lazer dhe analizën spektrale me rezolucion të lartë dhe fusha të tjera të ndjeshmërisë. Për të përmbushur kërkesat e parametrave të performancës së lartë të akordimit të gjerësisë së brezit, saktësisë së akordimit dhe shpejtësisë së akordimit të lazerëve me gjatësi vale të vetme në fushën e ndjeshmërisë me fibra, qëllimi i përgjithshëm i studimit të lazerëve të akordueshëm me fibra me gjerësi të ngushtë në vitet e fundit është të arrihet akordim me precizion të lartë në një gamë më të gjerë gjatësi vale në bazë të ndjekjes së gjerësisë ultra të ngushtë të vijës së lazerit, zhurmës ultra të ulët të fazës dhe frekuencës dhe fuqisë së daljes ultra të qëndrueshme.
1.3 Kërkesa për burim drite lazeri të bardhë
Në fushën e ndjeshmërisë optike, lazeri i dritës së bardhë me cilësi të lartë është me rëndësi të madhe për të përmirësuar performancën e sistemit. Sa më i gjerë të jetë mbulimi spektral i lazerit të dritës së bardhë, aq më i gjerë është aplikimi i tij në sistemin e ndjeshmërisë me fibra optike. Për shembull, kur përdoret rrjeta Bragg me fibra (FBG) për të ndërtuar një rrjet sensorësh, analiza spektrale ose metoda e përputhjes së filtrit të akordueshëm mund të përdoret për demodulim. E para përdorte një spektrometër për të testuar drejtpërdrejt çdo gjatësi vale rezonante të FBG në rrjet. E dyta përdor një filtër reference për të ndjekur dhe kalibruar FBG në ndjeshmëri, të dyja këto kërkojnë një burim drite me brez të gjerë si burim drite testimi për FBG-në. Meqenëse çdo rrjet aksesi i FBG do të ketë një humbje të caktuar futjeje dhe ka një gjerësi bande më shumë se 0.1 nm, demodulimi i njëkohshëm i shumë FBG-ve kërkon një burim drite me brez të gjerë me fuqi dhe gjerësi bande të lartë. Për shembull, kur përdoret rrjeta me fibra me periudhë të gjatë (LPFG) për ndjeshmëri, meqenëse gjerësia e brezit të një piku të vetëm humbjeje është në rendin e 10 nm, kërkohet një burim drite me spektër të gjerë me gjerësi të mjaftueshme brezi dhe spektër relativisht të sheshtë për të karakterizuar me saktësi karakteristikat e tij të pikut rezonant. Në veçanti, rrjeta me fibra akustike (AIFG) e ndërtuar duke përdorur efektin akusto-optik mund të arrijë një gamë akordimi të gjatësisë së valës rezonante deri në 1000 nm me anë të akordimit elektrik. Prandaj, testimi dinamik i rrjetës me një gamë kaq të gjerë akordimi paraqet një sfidë të madhe për gamën e gjerësisë së brezit të një burimi drite me spektër të gjerë. Në mënyrë të ngjashme, vitet e fundit, rrjeta me fibra Bragg e pjerrët është përdorur gjithashtu gjerësisht në fushën e ndjeshmërisë së fibrave. Për shkak të karakteristikave të saj të spektrit të humbjes me shumë pike, diapazoni i shpërndarjes së gjatësisë së valës zakonisht mund të arrijë 40 nm. Mekanizmi i saj i ndjeshmërisë është zakonisht të krahasojë lëvizjen relative midis majave të shumta të transmetimit, kështu që është e nevojshme të matet plotësisht spektri i tij i transmetimit. Gjerësia e brezit dhe fuqia e burimit të dritës me spektër të gjerë kërkohet të jenë më të larta.
2. Statusi i kërkimit brenda dhe jashtë vendit
2.1 Burim drite lazeri me gjerësi të ngushtë të vijës
2.1.1 Lazer me reagim të shpërndarë gjysmëpërçues me gjerësi të ngushtë vije
Në vitin 2006, Cliche et al. e ulën shkallën MHz të gjysmëpërçuesitLazer DFB(lazer me reagim të shpërndarë) në shkallë kHz duke përdorur metodën e reagimit elektrik; Në vitin 2011, Kessler et al. përdorën zgavër kristali të vetëm me temperaturë të ulët dhe stabilitet të lartë të kombinuar me kontroll aktiv të reagimit për të marrë dalje lazeri me gjerësi vije ultra të ngushtë prej 40 MHz; Në vitin 2013, Peng et al. morën një dalje lazeri gjysmëpërçues me një gjerësi vije prej 15 kHz duke përdorur metodën e rregullimit të reagimit të jashtëm Fabry-Perot (FP). Metoda e reagimit elektrik përdori kryesisht reagimin e stabilizimit të frekuencës Pond-Drever-Hall për të zvogëluar gjerësinë e vijës së lazerit të burimit të dritës. Në vitin 2010, Bernhardi et al. prodhuan 1 cm të FBG të aluminës së dopuar me erbium në një substrat oksidi silikoni për të marrë një dalje lazeri me një gjerësi vije prej rreth 1.7 kHz. Në të njëjtin vit, Liang et al. përdori reagimin e vetë-injektimit të shpërndarjes së kundërt Rayleigh të formuar nga një rezonator muri me jehonë të lartë Q për kompresimin e gjerësisë së vijës së lazerit gjysmëpërçues, siç tregohet në Figurën 1, dhe më në fund mori një dalje lazeri me gjerësi të ngushtë të vijës prej 160 Hz.
Fig. 1 (a) Diagrama e kompresimit të gjerësisë së vijës së lazerit gjysmëpërçues bazuar në shpërndarjen Rayleigh me vetëinjeksion të rezonatorit të modalitetit të galerisë pëshpëritëse të jashtme;
(b) Spektri i frekuencës së lazerit gjysmëpërçues me lëvizje të lirë me gjerësi vije prej 8 MHz;
(c) Spektri i frekuencës së lazerit me gjerësi vije të kompresuar në 160 Hz
2.1.2 Lazer me fibra me gjerësi të ngushtë të vijës
Për lazerët me fibra me zgavër lineare, dalja e lazerit me gjerësi të ngushtë të vijës së modalitetit të vetëm gjatësor merret duke shkurtuar gjatësinë e rezonatorit dhe duke rritur intervalin e modës gjatësore. Në vitin 2004, Spiegelberg et al. morën një dalje lazeri me gjerësi të ngushtë të vijës së vetëm gjatësore me një gjerësi vije prej 2 kHz duke përdorur metodën e zgavrës së shkurtër DBR. Në vitin 2007, Shen et al. përdorën një fibër silikoni 2 cm të dopuar rëndë me erbium për të shkruar FBG në një fibër fotosensitive të bashkë-dopuar Bi-Ge, dhe e bashkuan atë me një fibër aktive për të formuar një zgavër lineare kompakte, duke e bërë gjerësinë e vijës së daljes së lazerit të saj më të vogël se 1 kHz. Në vitin 2010, Yang et al. përdorën një zgavër lineare të shkurtër 2 cm të dopuar shumë të kombinuar me një filtër FBG me brez të ngushtë për të marrë një dalje lazeri me një modalitet të vetëm gjatësor me një gjerësi vije më të vogël se 2 kHz. Në vitin 2014, ekipi përdori një zgavër lineare të shkurtër (rezonator virtual i unazës së palosur) të kombinuar me një filtër FBG-FP për të marrë një dalje lazeri me një gjerësi më të ngushtë të vijës, siç tregohet në Figurën 3. Në vitin 2012, Cai et al. përdorën një strukturë të zgavrës së shkurtër 1.4 cm për të marrë një dalje lazeri polarizues me një fuqi dalëse më të madhe se 114 mW, një gjatësi vale qendrore prej 1540.3 nm dhe një gjerësi vije prej 4.1 kHz. Në vitin 2013, Meng et al. përdorën shpërndarjen Brillouin të fibrës së dopuar me erbium me një zgavër të shkurtër unaze të një pajisjeje ruajtjeje të plotë të polarizimit për të marrë një dalje lazeri me zhurmë të fazës së ulët, me një modalitet të vetëm gjatësor me një fuqi dalëse prej 10 mW. Në vitin 2015, ekipi përdori një zgavër unaze të përbërë nga fibra të dopuar me erbium 45 cm si medium fitimi shpërndarjeje Brillouin për të marrë një dalje lazeri me prag të ulët dhe gjerësi të ngushtë të vijës.
Fig. 2 (a) Vizatim skematik i lazerit me fibra SLC;
(b) Forma e vijës së sinjalit heterodin të matur me vonesë fibre prej 97.6 km
Koha e postimit: 20 nëntor 2023