Laser iturriaren teknologiazuntz optikoasentsazioa Lehen zatia
Zuntz optikoaren sentsore-teknologia zuntz optikoaren teknologiarekin eta zuntz optikoaren komunikazio-teknologiarekin batera garatutako sentsore-teknologia mota bat da, eta teknologia fotoelektrikoaren adar aktiboenetako bat bihurtu da. Zuntz optikoaren sentsore-sistema batez ere laserrez, transmisio-zuntzez, sentsore-elementu edo modulazio-eremuaz, argiaren detekzioaz eta beste atal batzuez osatuta dago. Argi-uhinaren ezaugarriak deskribatzen dituzten parametroen artean daude intentsitatea, uhin-luzera, fasea, polarizazio-egoera, etab. Parametro hauek kanpoko eraginek alda ditzakete zuntz optikoaren transmisioan. Adibidez, tenperaturak, tentsioak, presioak, korronteak, desplazamenduak, bibrazioak, errotazioak, tolesturak eta kantitate kimikoek bide optikoan eragiten dutenean, parametro horiek horren arabera aldatzen dira. Zuntz optikoaren sentsoreak parametro horien eta kanpoko faktoreen arteko erlazioan oinarritzen da dagokien kantitate fisikoak detektatzeko.
Mota asko daudelaser iturriazuntz optikozko sentsore sistemetan erabiltzen da, bi kategoriatan bana daitekeena: koherentealaser iturriaketa argi-iturri inkoherenteak, inkoherenteakargi-iturriakbatez ere argi gori-argia eta diodo argi-igorleak dira, eta argi-iturri koherenteen artean laser solidoak, laser likidoak, gas laserrak daude,erdieroale laserraetazuntz laserraHurrengoa batez ere honetarako dalaser argi iturriaazken urteotan zuntz sentsorearen arloan asko erabilia: lerro zabalera estuko maiztasun bakarreko laserra, uhin-luzera bakarreko maiztasuneko laserra eta laser zuria.
1.1 Lerro-zabalera estuaren eskakizunaklaser argi iturriak
Zuntz optiko bidezko sentsore-sistema ezin da laser iturritik bereizi, neurtutako seinale-eramailearen argi-uhinak, laser argi-iturriaren beraren errendimenduak, hala nola potentzia-egonkortasunak, laser lerro-zabalerak, fase-zaratak eta zuntz optiko bidezko sentsore-sistemaren detekzio-distantziak, detekzio-zehaztasunak, sentikortasunak eta zarata-ezaugarriek paper erabakigarria betetzen baitute. Azken urteotan, distantzia luzeko bereizmen ultra-handiko zuntz optiko bidezko sentsore-sistemen garapenarekin, akademiak eta industriak eskakizun zorrotzagoak ezarri dituzte laser miniaturizazioaren lerro-zabaleraren errendimenduari dagokionez, batez ere honako hauetan: maiztasun optikoaren domeinuko islapen-teknologiak (OFDR) detekzio-teknologia koherentea erabiltzen du zuntz optikoen atzeranzko erradio-seinale sakabanatuak maiztasun-domeinuan aztertzeko, estaldura zabalarekin (milaka metro). Bereizmen handiaren (milimetro-mailako bereizmena) eta sentikortasun handiaren (-100 dBm-ra arte) abantailak aplikazio-aukera zabalak dituzten zuntz optiko banatuen neurketa eta sentsore-teknologian. OFDR teknologiaren muina argi-iturri sintonizagarria erabiltzea da maiztasun optikoaren sintonizazioa lortzeko, beraz, laser iturriaren errendimenduak zehazten ditu OFDR detekzio-eremua, sentikortasuna eta bereizmena bezalako faktore nagusiak. Islapen-puntuaren distantzia koherentzia-luzeraren antzekoa denean, taupada-seinalearen intentsitatea esponentzialki ahulduko da τ/τc koefizientearen arabera. Espektro-forma duen argi-iturri gaussiar batentzat, taupada-maiztasunak % 90 baino gehiagoko ikusgarritasuna izan dezan, argi-iturriaren lerro-zabaleraren eta sistemak lor dezakeen sentsazio-luzera maximoaren arteko erlazioa Lmax~0.04vg/f da, hau da, 80 km-ko luzera duen zuntz baterako, argi-iturriaren lerro-zabalera 100 Hz baino txikiagoa dela. Horrez gain, beste aplikazio batzuen garapenak argi-iturriaren lerro-zabaleraren eskakizun handiagoak ere planteatu ditu. Adibidez, zuntz optikoko hidrofono-sisteman, argi-iturriaren lerro-zabalerak sistemaren zarata zehazten du eta baita sistemaren gutxieneko seinale neurgarria ere. Brillouin denbora-domeinuko islatzaile optikoan (BOTDR), tenperaturaren eta tentsioaren neurketa-bereizmena batez ere argi-iturriaren lerro-zabalerak zehazten du. Zuntz optikozko giroskopio erresonatzaile batean, argi-uhinaren koherentzia-luzera handitu daiteke argi-iturriaren lerro-zabalera murriztuz, horrela erresonatzailearen fintasuna eta erresonantzia-sakonera hobetuz, erresonatzailearen lerro-zabalera murriztuz eta zuntz optikozko giroskopioaren neurketa-zehaztasuna bermatuz.
1.2 Eskalada laser iturrien eskakizunak
Uhin-luzera bakarreko laserrak uhin-luzera doitzeko errendimendu malgua du, irteera anitzeko uhin-luzera finkoko laserrak ordezka ditzake, sistemaren eraikuntzaren kostua murrizten du, eta zuntz optikozko sentsore sistemaren ezinbesteko atala da. Adibidez, arrasto gas zuntz sentsoreetan, gas mota desberdinek gas xurgapen gailur desberdinak dituzte. Neurketa gasa nahikoa denean argiaren xurgapen eraginkortasuna bermatzeko eta neurketa sentikortasun handiagoa lortzeko, transmisio argi iturriaren uhin-luzera gas molekularen xurgapen gailurrarekin lerrokatu behar da. Detektatu daitekeen gas mota funtsean sentsore argi iturriaren uhin-luzerak zehazten du. Beraz, banda zabaleko doikuntza errendimendu egonkorra duten lerro-zabalera estuko laserrek neurketa malgutasun handiagoa dute sentsore sistema horietan. Adibidez, maiztasun optikoaren domeinu islapenean oinarritutako zuntz optiko banatuko sentsore sistema batzuetan, laserra aldian-aldian azkar garbitu behar da seinale optikoen detekzio eta desmodulazio koherente zehatza lortzeko, beraz, laser iturriaren modulazio-tasak eskakizun nahiko altuak ditu, eta laser erregulagarriaren eskakizunak normalean 10 pm/μs-ra iristea behar da. Gainera, uhin-luzera sintoniza daitekeen lerro-zabalera estuko laserra liDAR, laser urrutiko detekzioan eta bereizmen handiko analisi espektralean eta beste sentsore eremu batzuetan ere erabil daiteke. Zuntz-sentsorearen arloan uhin-luzera bakarreko laserren doikuntza-bandaren, doikuntza-zehaztasunaren eta doikuntza-abiaduraren errendimendu-parametro handien eskakizunak betetzeko, azken urteotan sintoniza daitezkeen zabalera estuko zuntz-laserrak aztertzearen helburu nagusia doitasun handiko doikuntza lortzea da uhin-luzera-tarte handiago batean, laser-lerro-zabalera ultra-estua, fase-zarata ultra-baxua eta irteera-maiztasun eta -potentzia ultra-egonkorrak lortuz.
1.3 Laser zuriaren argi-iturriaren eskaria
Sentsore optikoaren arloan, kalitate handiko argi zuriko laserrak garrantzi handia du sistemaren errendimendua hobetzeko. Argi zuriko laserrak zenbat eta espektro-estaldura zabalagoa izan, orduan eta zabalagoa izango da bere aplikazioa zuntz optikoko sentsore-sisteman. Adibidez, zuntz Bragg sare (FBG) erabiltzean sentsore-sare bat eraikitzeko, analisi espektral bat edo iragazki sintonizagarrien parekatze-metodoa erabil daiteke demodulaziorako. Lehenengoak espektrometro bat erabiltzen zuen sareko FBG erresonante-uhin-luzera bakoitza zuzenean probatzeko. Bigarrenak erreferentzia-iragazki bat erabiltzen zuen FBG jarraitzeko eta kalibratzeko sentsorean, eta biek banda zabaleko argi-iturri bat behar dute FBGrako proba-argi-iturri gisa. FBG sarbide-sare bakoitzak txertatze-galera jakin bat izango duenez, eta 0,1 nm baino gehiagoko banda-zabalera duenez, hainbat FBG aldibereko demodulaziorako, potentzia handiko eta banda-zabalera handiko banda zabaleko argi-iturri bat behar da. Adibidez, zuntz-sare luzeko periodoa (LPFG) detektatzeko erabiltzean, galera-punta bakar baten banda-zabalera 10 nm-ko ordenakoa denez, banda-zabalera nahikoa eta espektro nahiko laua duen espektro zabaleko argi-iturri bat behar da bere gailur erresonanteen ezaugarriak zehatz-mehatz karakterizatzeko. Bereziki, efektu akusto-optikoa erabiliz eraikitako zuntz-sare akustikoak (AIFG) 1000 nm-rainoko uhin-luzera erresonantearen sintonizazio-tartea lor dezake sintonizazio elektrikoaren bidez. Beraz, sintonizazio-tarte ultra-zabal horrekin egindako sare dinamikoen probak erronka handia dakar espektro zabaleko argi-iturri baten banda-zabalera-tartearentzat. Era berean, azken urteotan, Bragg zuntz-sare inklinatua ere asko erabili da zuntz-sentsoreen arloan. Bere gailur anitzeko galera-espektroaren ezaugarriengatik, uhin-luzeraren banaketa-tartea normalean 40 nm-ra irits daiteke. Bere sentsore-mekanismoa normalean transmisio-punta anitzen arteko mugimendu erlatiboa alderatzea da, beraz, beharrezkoa da bere transmisio-espektroa guztiz neurtzea. Espektro zabaleko argi-iturriaren banda-zabalera eta potentzia handiagoak izan behar dira.
2. Ikerketaren egoera etxean eta atzerrian
2.1 Lerro-zabalera estuko laser argi-iturria
2.1.1 Lerro-zabalera estuko erdieroale banatutako feedback laserra
2006an, Clichek eta beste batzuek erdieroaleen MHz eskala murriztu zuten.DFB laserra(feedback banatuko laserra) kHz-ko eskalara feedback elektrikoaren metodoa erabiliz; 2011n, Kessler et al.-ek tenperatura baxuko eta egonkortasun handiko kristal bakarreko barrunbea erabili zuten feedback aktiboaren kontrolarekin konbinatuta 40 MHz-ko lerro-zabalera ultra-estua zuen laser irteera lortzeko; 2013an, Peng et al.-ek 15 kHz-ko lerro-zabalera zuen erdieroale laser irteera bat lortu zuten kanpoko Fabry-Perot (FP) feedback doikuntza metodoa erabiliz. Feedback elektrikoaren metodoak batez ere Pond-Drever-Hall maiztasunaren egonkortze feedbacka erabili zuen argi-iturriaren laser lerro-zabalera murrizteko. 2010ean, Bernhardi et al.-ek 1 cm erbio-dopatutako alumina FBG ekoiztu zuten silizio oxido substratu batean, 1,7 kHz inguruko lerro-zabalera zuen laser irteera lortzeko. Urte berean, Liang et al. Q handiko oihartzun-hormako erresonadore batek eratutako atzeranzko Rayleigh sakabanaketaren auto-injekzio-feedbacka erabili zuen erdieroaleen laser lerro-zabalera konpresiorako, 1. irudian erakusten den bezala, eta azkenean 160 Hz-ko lerro-zabalera estuko laser irteera lortu zuen.
1. irudia (a) Kanpoko xuxurla-galeria moduko erresonadorearen auto-injekziozko Rayleigh sakabanaketa oinarritzat hartuta, erdieroaleen laser lerro-zabaleraren konpresioaren diagrama;
(b) 8 MHz-ko lerro-zabalera duen erdieroale laser askearen maiztasun-espektroa;
(c) Laseraren maiztasun-espektroa, lerro-zabalera 160 Hz-ra konprimituta
2.1.2 Zuntz laser lerro-zabalera estukoa
Zuntz-barrunbe linealeko laserrentzat, modu longitudinal bakarreko lerro-zabalera estuko laser irteera lortzen da erresonadorearen luzera laburtuz eta modu longitudinalaren tartea handituz. 2004an, Spiegelberg et al.-ek 2 kHz-ko lerro-zabalera zuen modu longitudinal bakarreko lerro-zabalera estuko laser irteera lortu zuten DBR barrunbe laburreko metodoa erabiliz. 2007an, Shen et al.-ek 2 cm-ko erbioz dopatutako siliziozko zuntz bat erabili zuten FBG idazteko Bi-Ge ko-dopatutako zuntz fotosentikor batean, eta zuntz aktibo batekin fusionatu zuten barrunbe lineal trinkoa osatzeko, laser irteerako lerro-zabalera 1 kHz baino txikiagoa izanik. 2010ean, Yang et al.-ek 2 cm-ko barrunbe lineal labur oso dopatu bat erabili zuten banda estuko FBG iragazki batekin konbinatuta, 2 kHz baino gutxiagoko lerro-zabalera zuen modu longitudinal bakarreko laser irteera lortzeko. 2014an, taldeak barrunbe lineal labur bat (erresonadore birtual tolestua) erabili zuen FBG-FP iragazki batekin konbinatuta lerro-zabalera estuagoa zuen laser irteera bat lortzeko, 3. irudian erakusten den bezala. 2012an, Cai et al.-ek 1,4 cm-ko barrunbe labur baten egitura erabili zuten 114 mW baino gehiagoko irteera-potentzia, 1540,3 nm-ko uhin-luzera zentral eta 4,1 kHz-ko lerro-zabalera zuen laser irteera polarizatzaile bat lortzeko. 2013an, Meng et al.-ek Brillouin sakabanaketa erabili zuten polarizazio osoko gailu baten eraztun-barrunbe labur batekin, modu longitudinal bakarreko, fase-zarata baxuko laser irteera bat lortzeko, 10 mW-ko irteera-potentziarekin. 2015ean, taldeak 45 cm-ko erbio-dopatutako zuntzez osatutako eraztun-barrunbe bat erabili zuen Brillouin sakabanaketa-irabazi-euskarri gisa, atalase baxuko eta lerro-zabalera estua zuen laser irteera bat lortzeko.
2. irudia (a) SLC zuntz laserraren eskema-marrazkia;
(b) 97,6 km-ko zuntz-atzerapenarekin neurtutako seinale heterodinoaren lerro-forma
Argitaratze data: 2023ko azaroaren 20a