Teknologjia e burimit lazer përfibër optikendjerë Pjesa e Parë
Teknologjia e ndjeshmërisë së fibrave optike është një lloj teknologjie ndijuese e zhvilluar së bashku me teknologjinë e fibrës optike dhe teknologjinë e komunikimit të fibrës optike, dhe është bërë një nga degët më aktive të teknologjisë fotoelektrike.Sistemi i sensorit të fibrave optike përbëhet kryesisht nga lazer, fibër transmisioni, element sensor ose zona modulimi, 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. Këto parametra mund të ndryshohen nga ndikimet e jashtme në transmetimin e fibrave optike.Për shembull, kur temperatura, sforcimi, presioni, rryma, zhvendosja, dridhja, rrotullimi, përkulja dhe sasia kimike ndikojnë në rrugën optike, këto parametra ndryshojnë përkatësisht.Ndjeshmëria e fibrave optike bazohet në marrëdhënien midis këtyre parametrave dhe faktorëve të jashtëm për të zbuluar sasitë fizike përkatëse.
Ka shumë lloje tëburim lazerpërdoret në sistemet e sensorit të fibrave optike, të cilat mund të ndahen në dy kategori: koherenteburimet lazerdhe burime drite jokoherente, jokoherenteburimet e dritëspërfshijnë kryesisht dritën inkandeshente dhe diodat që lëshojnë dritë, dhe burimet koherente të dritës përfshijnë lazer të ngurtë, lazer të lëngshëm, lazer me gaz,lazer gjysmëpërçuesdhelazer me fibra.Më poshtë është kryesisht përburim drite lazerpërdorur gjerësisht në fushën e ndjeshmërisë së fibrave në vitet e fundit: lazer me një frekuencë të vetme me gjerësi të linjës së ngushtë, lazer me frekuencë fshirjeje me një gjatësi vale të vetme dhe lazer i bardhë.
1.1 Kërkesat për gjerësi të ngushtë të vijësburimet e dritës lazer
Sistemi i sensorit të fibrave optike nuk mund të ndahet nga burimi lazer, pasi valët e dritës së bartësit të sinjalit të matur, vetë performanca e burimit të dritës lazer, të tilla si stabiliteti i energjisë, gjerësia e linjës lazer, zhurma e fazës dhe parametra të tjerë në distancën e zbulimit të sistemit të sensorit të fibrave optike, zbulimin saktësia, ndjeshmëria dhe karakteristikat e zhurmës luajnë një rol vendimtar.Vitet e fundit, me zhvillimin e sistemeve të sensorit të fibrave optike me rezolucion ultra të lartë në distanca të gjata, akademia dhe industria kanë paraqitur kërkesa më të rrepta për performancën e gjerësisë së linjës së miniaturizimit me lazer, kryesisht në: teknologjia e reflektimit të domenit të frekuencës optike (OFDR) përdor koherente Teknologjia e zbulimit për të analizuar sinjalet e shpërndara në prapavijë të fibrave optike në fushën e frekuencës, me një mbulim të gjerë (mijëra metra).Përparësitë e rezolucionit të lartë (rezolucion në nivel milimetrik) dhe ndjeshmërisë së lartë (deri në -100 dBm) janë bërë një nga teknologjitë me perspektiva të gjera aplikimi në teknologjinë e matjes dhe sensorit të fibrave optike të shpërndarë.Thelbi i teknologjisë OFDR është përdorimi i burimit të sintonizueshëm të dritës për të arritur akordimin e frekuencës optike, kështu që performanca e burimit lazer përcakton faktorët kryesorë 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 zbutet në mënyrë eksponenciale nga koeficienti τ/τc.Për një burim drite Gaussian me një formë spektrale, në mënyrë që të sigurohet që frekuenca e rrahjeve të ketë më shumë se 90% dukshmëri, marrëdhënia midis gjerësisë së linjës 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 80 km, gjerësia e linjës së burimit të dritës është më e vogël se 100 Hz.Për më tepër, zhvillimi i aplikacioneve të tjera gjithashtu parashtron kërkesa më të larta për gjerësinë e linjës së burimit të dritës.Për shembull, në sistemin hidrofonik me fibër optike, gjerësia e linjës 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 linjës së burimit të dritës.Në një xhiro me fibër optike rezonatore, gjatësia e koherencës së valës së dritës mund të rritet duke zvogëluar gjerësinë e linjës së burimit të dritës, duke përmirësuar kështu hollësinë dhe thellësinë e rezonancës së rezonatorit, duke zvogëluar gjerësinë e linjës së rezonatorit dhe duke siguruar matjen saktësia e xhiros së fibrës optike.
1.2 Kërkesat për burimet lazer fshirëse
Lazeri i fshirjes me një gjatësi vale ka performancë akorduese fleksibël të gjatësisë valore, mund të zëvendësojë lazerët me gjatësi vale fikse të daljes së shumëfishtë, të zvogëlojë koston e ndërtimit të sistemit, është një pjesë e domosdoshme e sistemit të sensorit të fibrave optike.Për shembull, në gjurmimin e fibrave të gazit, lloje të ndryshme gazesh kanë maja të ndryshme të thithjes së gazit.Për të siguruar efikasitetin e përthithjes së dritës kur gazi matës është i mjaftueshëm dhe për të arritur ndjeshmëri më të lartë të matjes, është e nevojshme të përafrohet gjatësia e valës së burimit të dritës së transmetimit me pikun e absorbimit të molekulës së gazit.Lloji i gazit që mund të zbulohet në thelb përcaktohet nga gjatësia e valës së burimit të dritës ndijuese.Prandaj, lazerët me gjerësi të ngushtë të linjës me performancë të qëndrueshme të akordimit me brez të gjerë kanë fleksibilitet më të lartë matjeje në sisteme të tilla sensori.Për shembull, në disa sisteme të shpërndara ndijuese të fibrave optike të bazuara në reflektimin e domenit të frekuencës optike, lazeri duhet të fshihet me shpejtësi në mënyrë periodike për të arritur zbulimin koherent me saktësi të lartë dhe demodulimin e sinjaleve optike, kështu që shkalla e modulimit të burimit lazer ka kërkesa relativisht të larta , dhe shpejtësia e fshirjes së lazerit të rregullueshëm zakonisht kërkohet të arrijë 10 pm/μs.Përveç kësaj, lazeri me gjerësi të ngushtë vije të sintonizueshme me gjatësi vale mund të përdoret gjithashtu gjerësisht në liDAR, sensorë në distancë me lazer dhe analiza spektrale me rezolucion të lartë dhe fusha të tjera ndijuese.Për të përmbushur kërkesat e parametrave të performancës së lartë të gjerësisë së brezit të akordimit, saktësisë së akordimit dhe shpejtësisë së akordimit të lazerëve me një gjatësi vale në fushën e ndjeshmërisë së fibrave, qëllimi i përgjithshëm i studimit të lazerëve të fibrave me gjerësi të ngushtë të sintonizueshme në vitet e fundit është arritja e akordim preciz në një gamë më të madhe gjatësi vale në bazë të ndjekjes së gjerësisë së linjës lazer ultra të ngushtë, zhurmës së fazës ultra të ulët dhe frekuencës dhe fuqisë ultra të qëndrueshme të daljes.
1.3 Kërkesa për burim drite lazeri të bardhë
Në fushën e sensorit optik, lazeri i dritës së bardhë me cilësi të lartë ka një rëndësi të madhe për të përmirësuar performancën e sistemit.Sa më i gjerë të jetë mbulimi i spektrit të lazerit të dritës së bardhë, aq më i gjerë është aplikimi i tij në sistemin e sensorit të fibrave optike.Për shembull, kur përdoret grila me fibra Bragg (FBG) për të ndërtuar një rrjet sensor, analiza spektrale ose metoda e përputhjes së filtrit të sintonizueshëm mund të përdoret për demodulim.I pari përdori një spektrometër për të testuar drejtpërdrejt çdo gjatësi vale rezonante FBG në rrjet.Ky i fundit përdor një filtër referimi për të gjurmuar dhe kalibruar FBG në sensorë, të cilat të dyja kërkojnë një burim drite me brez të gjerë si një burim drite testimi për FBG.Për shkak se çdo rrjet aksesi FBG do të ketë një humbje të caktuar futjeje dhe ka një gjerësi brezi prej më shumë se 0.1 nm, demodulimi i njëkohshëm i shumëfishtë FBG kërkon një burim drite me brez të gjerë me fuqi të lartë dhe gjerësi bande të lartë.Për shembull, kur përdoret grila e fibrave me periudhë të gjatë (LPFG) për ndijimin, meqenëse gjerësia e brezit të një piku të vetëm humbje është në rendin e 10 nm, kërkohet një burim drite me spektër të gjerë me gjerësi brezi të mjaftueshëm dhe spektër relativisht të sheshtë për të karakterizuar me saktësi rezonancën e tij. karakteristikat e pikut.Në veçanti, grila e fibrave akustike (AIFG) e ndërtuar duke përdorur efektin akusto-optik mund të arrijë një gamë akordimi me gjatësi vale rezonante deri në 1000 nm me anë të akordimit elektrik.Prandaj, testimi dinamik i rrjetës me një gamë të tillë akordimi ultra të gjerë 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, grila e anuar e fibrave Bragg është përdorur gjithashtu gjerësisht në fushën e ndjeshmërisë së fibrave.Për shkak të karakteristikave të tij të spektrit të humbjeve me shumë maja, diapazoni i shpërndarjes së gjatësisë së valës zakonisht mund të arrijë 40 nm.Mekanizmi i tij ndijues zakonisht është 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 Burimi i dritës lazer me gjerësi të ngushtë vije
2.1.1 Lazer reagimi i shpërndarë me gjysmëpërçues me gjerësi të ngushtë vije
Në vitin 2006, Cliche et al.reduktuar shkallën MHz të gjysmëpërçuesitLazer DFB(lazer i shpërndarë me reagime) në shkallën kHz duke përdorur metodën e reagimit elektrik;Në vitin 2011, Kessler et al.përdoret një zgavër me një kristal me temperaturë të ulët dhe stabilitet të lartë të kombinuar me kontroll aktiv të reagimit për të marrë dalje lazeri me gjerësi linje ultra të ngushtë prej 40 MHz;Në vitin 2013, Peng et al morën një dalje lazer gjysmëpërçues me një gjerësi linjë prej 15 kHz duke përdorur metodën e rregullimit të reagimit të jashtëm Fabry-Pero (FP).Metoda e reagimit elektrik përdorte kryesisht reagimin e stabilizimit të frekuencës Pond-Drever-Hall për të zvogëluar gjerësinë e linjës lazer të burimit të dritës.Në vitin 2010, Bernhardi et al.prodhoi 1 cm alumin FBG të dopuar me erbium në një substrat oksid silikoni për të marrë një dalje lazer me një gjerësi linjë prej rreth 1.7 kHz.Në të njëjtin vit, Liang et al.përdori reagimin e vetë-injektimit të shpërndarjes së prapambetur Rayleigh të formuar nga një rezonator i murit me jehonë Q të lartë për kompresimin e gjerësisë së linjës me lazer gjysmëpërçues, siç tregohet në Figurën 1, dhe më në fund mori një dalje lazeri me gjerësi të ngushtë të linjës prej 160 Hz.
Fig. 1 (a) Diagrami i ngjeshjes së gjerësisë së linjës së lazerit gjysmëpërçues bazuar në shpërndarjen e Rayleigh me vetëinjektim të rezonatorit të modalitetit të galerisë së pëshpëritjes;
(b) Spektri i frekuencës së lazerit gjysmëpërçues me funksionim të lirë me gjerësi linjë prej 8 MHz;
(c) Spektri i frekuencës së lazerit me gjerësi linjë të ngjeshur në 160 Hz
2.1.2 Lazer me fibër me gjerësi të ngushtë vije
Për lazerët me fibra të zgavrës lineare, dalja e lazerit me gjerësi të ngushtë të linjës së modalitetit të vetëm gjatësore përftohet duke shkurtuar gjatësinë e rezonatorit dhe duke rritur intervalin e modalitetit gjatësor.Në vitin 2004, Spiegelberg et al.përftohet një dalje lazeri me një modalitet të vetëm gjatësor me gjerësi vije të ngushtë me një gjerësi linjë prej 2 kHz duke përdorur metodën e zgavrës së shkurtër DBR.Në vitin 2007, Shen et al.përdori një fibër silikoni 2 cm shumë të dopuar me erbium për të shkruar FBG në një fibër fotosensitive të bashkë-dopuar Bi-Ge dhe e shkriu atë me një fibër aktive për të formuar një zgavër lineare kompakte, duke e bërë gjerësinë e linjës së daljes së lazerit më pak se 1 kHz.Në vitin 2010, Yang et al.përdori një zgavër të shkurtër lineare 2 cm shumë të dopuar të kombinuar me një filtër FBG me brez të ngushtë për të marrë një dalje lazeri me modalitet të vetëm gjatësor me një gjerësi linjë më të vogël se 2 kHz.Në vitin 2014, ekipi përdori një zgavër të shkurtër lineare (rezonator unazor të palosur virtual) të kombinuar me një filtër FBG-FP për të marrë një dalje lazeri me një gjerësi vije më të ngushtë, siç tregohet në figurën 3. Në 2012, Cai et al.përdori një strukturë me zgavër të shkurtër 1,4 cm për të marrë një dalje lazer polarizues me një fuqi dalëse më të madhe se 114 mW, një gjatësi vale qendrore prej 1540,3 nm dhe një gjerësi linjë prej 4,1 kHz.Në vitin 2013, Meng et al.përdori shpërndarjen Brillouin të fibrës së dopuar me erbium me një zgavër të shkurtër unazore të një pajisjeje ruajtëse të plotë të paragjykimit për të marrë një dalje lazeri me zhurmë me një modalitet të vetëm gjatësor, me një fuqi dalëse 10 mW.Në vitin 2015, ekipi përdori një zgavër unaze të përbërë nga fibër 45 cm të dopuar me erbium si medium për fitimin e shpërndarjes Brillouin për të marrë një dalje lazeri me prag të ulët dhe gjerësi të ngushtë vije.
Fig. 2 (a) Vizatimi skematik i lazerit me fibra SLC;
(b) Forma e linjës së sinjalit heterodin të matur me 97,6 km vonesë fibër
Koha e postimit: Nëntor-20-2023