Laser iturri teknologiarakozuntz optikoaLehen zatia sumatuz
Zuntz optikoko sentsazio-teknologia zuntz optikoko teknologiarekin eta zuntz optikoko komunikazio-teknologiarekin batera garatutako sentsazio-teknologia mota bat da, eta teknologia fotoelektrikoaren adar aktiboenetako bat bihurtu da. Zuntz optikoko detektatzeko sistema laser, transmisio-zuntz, sentsore-elementu edo modulazio-eremua, argi-detekzioa eta beste atal batzuek osatzen dute batez ere. Argi-uhinaren ezaugarriak deskribatzen dituzten parametroak honako hauek dira: intentsitatea, uhin-luzera, fasea, polarizazio-egoera, etab. Parametro hauek zuntz optikoaren transmisioan kanpoko eraginen ondorioz alda daitezke. Esaterako, tenperaturak, tentsioak, presioak, korronteak, desplazamenduak, bibrazioak, errotazioak, okertzeak eta kantitate kimikoak bide optikoari eragiten diotenean, parametro hauek aldatu egiten dira. Zuntz optikoko sentsazioa parametro horien eta kanpoko faktoreen arteko erlazioan oinarritzen da dagozkien kantitate fisikoak detektatzeko.
Mota asko daudelaser iturriazuntz optikoko sentsazio-sistemetan erabiltzen da, bi kategoriatan bana daitezkeenak: koherenteaklaser iturriaketa argi iturri inkoherenteak, inkoherenteakargi iturriakbatez ere argi goritasuna eta argi-igorleko diodoak daude, eta argi iturri koherenteak laser solidoak, laser likidoak, gas laserrak,laser erdieroaleaetazuntz laserra. Honako hau batez erelaser argi iturriaazken urteotan zuntz sentsorearen alorrean oso erabilia: maiztasun bakarreko laserra, uhin-luzera bakarreko ekorketa-maiztasun laserra eta laser zuria.
1.1 Lerro-zabalera estuaren baldintzaklaser argi iturriak
Zuntz optikoko sentsazio-sistema ezin da laser iturritik bereizi, neurtutako seinale-eramailearen argi-uhina, laser-argi-iturriaren errendimendua bera, hala nola, potentzia-egonkortasuna, laser-lerroaren zabalera, fase-zarata eta zuntz optikoko sentsazio-sistemaren detektatzeko distantzia, detektatzeko beste parametro batzuk. zehaztasunak, sentsibilitateak eta zarataren ezaugarriek zeregin erabakigarria dute. Azken urteotan, distantzia luzeko bereizmen ultra-altuko zuntz optikoko detektatzeko sistemen garapenarekin, akademiak eta industriak eskakizun zorrotzagoak jarri dituzte laser miniaturizazioaren linea-zabaleraren errendimenduari dagokionez, batez ere: maiztasun optikoko domeinuaren isla (OFDR) teknologia koherentea erabiltzen du. detekzio-teknologia zuntz optikoen backrayleigh sakabanatuta dauden seinaleak maiztasun-domeinuan aztertzeko, estaldura zabalarekin (milaka metro). Bereizmen handiko (milimetro-mailako bereizmena) eta sentsibilitate handiko (-100 dBm arte) abantailak zuntz optiko banatuaren neurketa eta sentsazio teknologian aplikaziorako aukera zabalak dituen teknologietako bat bihurtu dira. OFDR teknologiaren muina argi-iturri sintonizagarria erabiltzea da maiztasun optikoko sintonizazioa lortzeko, beraz, laser iturriaren errendimenduak funtsezko faktoreak zehazten ditu, hala nola OFDR detekzio-barrutia, sentsibilitatea eta bereizmena. Hausnarketa puntuaren distantzia koherentzia-luzeratik hurbil dagoenean, taupada-seinalearen intentsitatea esponentzialki ahulduko da τ/τc koefizientearen bidez. Forma espektrala duen Gauss argi-iturri baterako, beat-maiztasunak % 90eko ikusgarritasuna duela ziurtatzeko, argi-iturriaren lerro-zabaleraren eta sistemak lor dezakeen sentsore-luzeraren gehienezko erlazioa Lmax ~ 0.04vg da. /f, hau da, 80 km-ko luzera duen zuntz baterako, argi-iturriaren lerro-zabalera 100 Hz baino txikiagoa da. Horrez gain, beste aplikazio batzuen garapenak argi-iturriaren lerro zabalerako baldintza handiagoak ere planteatzen ditu. Adibidez, zuntz optikoko hidrofono sisteman, argi-iturriaren lerro-zabalerak sistemaren zarata zehazten du eta sistemaren gutxieneko seinale neurgarria ere zehazten du. Brillouin denbora-domeinu optikoko islatzailean (BOTDR), tenperaturaren eta estresaren neurketaren bereizmena argi-iturriaren lerro-zabalerak zehazten du batez ere. Erresonatzaile zuntz optikoko girokopio batean, argi-uhinaren koherentzia-luzera handitu daiteke argi-iturriaren lerro-zabalera murriztuz, horrela erresonagailuaren fintasuna eta erresonantzia-sakonera hobetuz, erresonatzailearen lerro-zabalera murriztuz eta neurketa bermatuz. zuntz optikoaren girokodearen zehaztasuna.
1.2 Ekorketa-laser iturrien baldintzak
Uhin-luzera bakarreko ekorketa laserrak uhin-luzera sintonizatzeko errendimendu malgua du, irteera anitz uhin-luzera finkoko laserrak ordezkatu ditzake, sistemaren eraikuntza kostua murrizten du, zuntz optikoko sentsore sistemaren ezinbesteko zati bat da. Esate baterako, aztarna gasaren zuntz sentsazioan, gas mota ezberdinek gasa xurgatzeko gailur desberdinak dituzte. Neurketa-gasa nahikoa denean argia xurgatzeko eraginkortasuna bermatzeko eta neurketa-sentsibilitate handiagoa lortzeko, beharrezkoa da transmisioko argi-iturriaren uhin-luzera gas molekularen xurgapen-gailurrekin lerrokatzea. Detektatu daitekeen gas mota, funtsean, sentsore-argi-iturriaren uhin-luzerak zehazten du. Hori dela eta, banda zabaleko sintonizazio-errendimendu egonkorra duten lerro-zabalera estuko laserek neurtzeko malgutasun handiagoa dute sentsazio-sistemetan. Esate baterako, maiztasun optikoko domeinuaren islaketan oinarritutako zuntz optikoko sentsazio-sistemetan, laserra aldian-aldian azkar miatu behar da seinale optikoen zehaztasun handiko detekzio koherentea eta demodulazioa lortzeko, beraz, laser-iturriaren modulazio-tasa baldintza nahiko handiak ditu. , eta laser erregulagarriaren ekorketa-abiadura normalean 10 pm/μs-ra iristeko behar da. Horrez gain, uhin-luzera sintonizagarria den linea-zabalera estua liDAR, laser teledetekzioa eta bereizmen handiko analisi espektrala eta beste sentsore-eremu batzuetan ere erabil daiteke. Banda-zabalera sintonizatzeko errendimendu handiko parametroen, sintonizazio-zehaztasuna eta sintonizazio-abiadura uhin-luzera bakarreko laserrak zuntz sentsorearen arloan, azken urteotan zabalera estu-estuko zuntz-laser sintonizagarriak aztertzeko helburu orokorra altua lortzea da. zehaztasun-sintonizazioa uhin-luzera handiago batean laser-lerro-zabalera estua, fase-zarata ultra-baxua eta irteera-maiztasun eta potentzia ultra-egonkorraren arabera.
1.3 Laser argi iturri zuriaren eskaria
Sentsazio optikoaren alorrean, kalitate handiko argi zuriaren laserrak garrantzi handia du sistemaren errendimendua hobetzeko. Zenbat eta zabalagoa izan argi zuriaren laserren espektro-estaldura, orduan eta zabalagoa izango da aplikazioa zuntz optikoko sentsore sisteman. Adibidez, sentsore-sarea eraikitzeko zuntz Bragg sare (FBG) erabiltzean, analisi espektrala edo iragazki sintonizagarrien bat datorren metodoa erabil daiteke demodulaziorako. Lehenengoak espektrometro bat erabili zuen sareko FBG erresonantzia-luzera bakoitza zuzenean probatzeko. Azken honek erreferentzia-iragazkia erabiltzen du FBG-a detektatzeko eta kalibratzeko, eta biek banda zabaleko argi-iturri bat behar dute FBGrako probako argi-iturri gisa. FBG sarbide-sare bakoitzak txertatze-galera jakin bat izango duelako, eta 0,1 nm-tik gorako banda-zabalera duelako, FBG anitzen aldi berean demodulatzeak potentzia handiko eta banda-zabalera handiko banda zabaleko argi-iturri bat behar du. Esaterako, detektatzeko zuntz-sare luzea (LPFG) erabiltzen denean, galera gailur bakar baten banda-zabalera 10 nm-koa denez, espektro zabaleko argi-iturri bat behar da banda-zabalera nahikoa eta espektro nahiko laua duen bere erresonantzia zehaztasunez karakterizatzeko. gailurreko ezaugarriak. Bereziki, efektu akusto-optikoa erabiliz eraikitako zuntz akustikoko sareak (AIFG) 1000 nm-ko uhin-luzera erresonanteko sintonizazio sorta lor dezake sintonizazio elektrikoaren bidez. Hori dela eta, sintonizazio sorta ultra zabal batekin sare dinamikoen probak erronka handia dakar espektro zabaleko argi-iturri baten banda-zabalerarako. Era berean, azken urteotan, Bragg zuntz-sareta inklinatua ere oso erabilia izan da zuntz sentsorearen arloan. Piko anitzeko galeraren espektroaren ezaugarriak direla eta, uhin-luzera banaketa-barrutia 40 nm-ra irits daiteke normalean. Bere sentsazio-mekanismoa transmisio-gailur anitzen arteko mugimendu erlatiboa konparatzea izan ohi da, beraz, beharrezkoa da 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 estua laser argi iturria
2.1.1 Lerro zabalera estua erdieroale banatutako feedback laserra
2006an, Cliche et al. erdieroalearen MHz eskala murriztu zuenDFB laserra(banatutako feedback laserra) kHz eskalara feedback elektrikoaren metodoa erabiliz; 2011n, Kessler et al. tenperatura baxua eta egonkortasun handiko kristal bakarreko barrunbea erabili zuen feedback-a kontrol aktiboarekin konbinatuta, 40 MHz-ko laser-irteera ultra-estua lortzeko; 2013an, Peng et al-ek 15 kHz-ko linea-zabalera duen erdieroaleen laser irteera lortu zuten kanpoko Fabry-Perot (FP) feedback doikuntzaren metodoa erabiliz. Feedback elektrikoaren metodoak, batez ere, Pond-Drever-Hall frekuentzia egonkortzeko feedbacka erabiltzen zuen argi iturriaren laser lerro-zabalera murrizteko. 2010ean, Bernhardi et al. 1 cm-ko erbioz dopatutako alumina FBG ekoitzi zituen silizio oxidozko substratu batean 1,7 kHz inguruko lerro-zabalera duen laser irteera lortzeko. Urte berean, Liang et al. Q altuko oihartzun horma erresonagailu batek eratutako atzerako Rayleigh sakabanaketaren auto-injekzioaren feedbacka erabili zuen erdieroaleen laser lerro-zabalera konpresiorako, 1. Irudian ikusten den moduan, eta, azkenik, 160 Hz-ko linea-zabalera estuko laser irteera lortu zuen.
1. irudia (a) Laser erdieroaleen lerro-zabaleraren konpresioaren diagrama, kanpoko xuxurlatze-galeria moduko erresonagailuaren Rayleigh-en auto-injekzioaren sakabanaketaren arabera;
(b) Marra libreko laser erdieroalearen maiztasun-espektroa 8 MHz-ko lerro-zabalera duena;
(c) Laserraren maiztasun-espektroa lerro-zabalera 160 Hz-ra konprimituta
2.1.2 Lerro-zabalera estua zuntz laserra
Barrunbe linealeko zuntz laserretarako, luzetarako modu bakarreko linea zabaleko laser irteera erresonagailuaren luzera laburtuz eta luzetarako moduaren tartea handituz lortzen da. 2004an, Spiegelberg et al. 2 kHz-ko lerro-zabalera duen laser-irteera luzeko modu estu bakarrean lortu zuen DBR barrunbe laburren metodoa erabiliz. 2007an, Shen et al. Erbioz dopatutako 2 cm-ko silizio-zuntz handia erabili zuen FBG idazteko Bi-Ge ko-dopatutako zuntz fotosentikor batean, eta zuntz aktibo batekin fusionatu zuen barrunbe lineal trinko bat osatzeko, eta bere laser irteerako lerroaren zabalera 1 kHz baino txikiagoa izan zen. 2010ean, Yang et al. 2 cm-ko oso dopatutako barrunbe lineal labur bat erabili zuen banda estuko FBG iragazki batekin konbinatuta 2 kHz baino gutxiagoko lerro-zabalera duen luzetarako laser-irteera bakar bat lortzeko. 2014an, taldeak barrunbe lineal labur bat (tolestutako eraztun erresonadore birtuala) erabili zuen FBG-FP iragazki batekin konbinatuta, lerro-zabalera estuagoa duen laser irteera lortzeko, 3. Irudian ikusten den moduan. 2012an, Cai et al. 1,4 cm-ko barrunbe laburreko egitura bat erabili du 114 mW-tik gorako irteera-potentzia, 1540,3 nm-ko uhin-luzera zentrala eta 4,1 kHz-ko lerro-zabalera duen laser-irteera polarizatzailea lortzeko. 2013an, Meng et al. Erbioz dopatutako zuntzaren Brillouin-en sakabanaketa erabili zuen alborapen osoko gailu baten eraztun-barrunbe batekin, luzera bakarreko modua, fase baxuko zarata laser irteera 10 mW-ko irteera-potentziarekin. 2015ean, taldeak 45 cm-ko erbioz dopatutako zuntzez osatutako eraztun-barrunbe bat erabili zuen Brillouin-en sakabanatze-irabazi ertain gisa, atalase baxua eta lerro-zabalera estua lortzeko laser irteera lortzeko.
2. irudia (a) SLC zuntz-laseraren marrazki eskematikoa;
(b) 97,6 km-ko zuntz-atzerapenarekin neurtutako seinale heterodinoaren lerro-forma
Argitalpenaren ordua: 2023-11-20