Тэхналогія лазернай крыніцы дляаптычнае валакноадчуванні, частка першая
Тэхналогія валаконна-аптычных датчыкаў — гэта від датчыкаў, распрацаваны разам з валаконна-аптычнымі тэхналогіямі і валаконна-аптычнымі камунікацыйнымі тэхналогіямі, і яна стала адной з найбольш актыўных галін фотаэлектрычнай тэхналогіі. Валаконна-аптычная датчыцкая сістэма ў асноўным складаецца з лазера, перадаючага валакна, адчувальнага элемента або вобласці мадуляцыі, выяўлення святла і іншых кампанентаў. Параметры, якія апісваюць характарыстыкі светлавой хвалі, ўключаюць інтэнсіўнасць, даўжыню хвалі, фазу, стан палярызацыі і г.д. Гэтыя параметры могуць змяняцца пад уздзеяннем знешніх уздзеянняў пры перадачы аптычнага валакна. Напрыклад, калі тэмпература, дэфармацыя, ціск, ток, зрушэнне, вібрацыя, кручэнне, выгіб і хімічныя велічыні ўплываюць на аптычны шлях, гэтыя параметры змяняюцца адпаведна. Валаконна-аптычныя датчыкі заснаваны на ўзаемасувязі паміж гэтымі параметрамі і знешнімі фактарамі для выяўлення адпаведных фізічных велічынь.
Існуе мноства тыпаўлазерная крыніцавыкарыстоўваюцца ў валаконна-аптычных датчыках, якія можна падзяліць на дзве катэгорыі: кагерэнтныялазерныя крыніцыі некагерэнтныя крыніцы святла, некагерэнтныякрыніцы святлау асноўным ўключаюць лямпы напальвання і святлодыёды, а кагерэнтныя крыніцы святла ўключаюць цвёрдацельныя лазеры, вадкасныя лазеры, газавыя лазеры,паўправадніковы лазерівалаконны лазерНаступнае ў асноўным длякрыніца лазернага святлаУ апошнія гады ў галіне валаконных датчыкаў шырока выкарыстоўваюцца: аднакаштастны лазер з вузкай шырынёй лініі, лазер з адной даўжынёй хвалі і белы лазер.
1.1 Патрабаванні да вузкай шырыні лініілазерныя крыніцы святла
Сістэму датчыкаў аптычных валакон нельга аддзяліць ад крыніцы лазера, бо вымяраемая хваля носьбіта сігналу, сама прадукцыйнасць крыніцы лазернага святла, такая як стабільнасць магутнасці, шырыня лазернай лініі, фазавы шум і іншыя параметры, якія ўплываюць на адлегласць выяўлення, дакладнасць выяўлення, адчувальнасць і шумавыя характарыстыкі сістэмы датчыкаў аптычных валакон, адыгрываюць вырашальную ролю. У апошнія гады з развіццём сістэм датчыкаў аптычных валакон з ультравысокім разрозненнем на вялікія адлегласці, навуковыя колы і прамысловасць вылучылі больш жорсткія патрабаванні да прадукцыйнасці мініяцюрызацыі лазераў, галоўным чынам у: тэхналогіі адлюстравання аптычных частотных даменаў (OFDR) выкарыстоўвае кагерэнтную тэхналогію выяўлення для аналізу сігналаў адлюстравання па Рэлею аптычных валокнаў у частотнай вобласці з шырокім пакрыццём (тысячы метраў). Перавагі высокага разрознення (міліметровага ўзроўню) і высокай адчувальнасці (да -100 дБм) сталі адной з тэхналогій з шырокімі перспектывамі прымянення ў размеркаваных тэхналогіях вымярэнняў і датчыкаў аптычных валакон. Асновай тэхналогіі OFDR з'яўляецца выкарыстанне настроўваемай крыніцы святла для дасягнення аптычнай налады частаты, таму прадукцыйнасць лазернай крыніцы вызначае ключавыя фактары, такія як дыяпазон выяўлення OFDR, адчувальнасць і разрозненне. Калі адлегласць кропкі адлюстравання блізкая да даўжыні кагерэнтнасці, інтэнсіўнасць сігналу біццяў будзе экспанентна аслабляцца на каэфіцыент τ/τc. Для гаўсаўскай крыніцы святла са спектральнай формай, каб забяспечыць бачнасць частаты біццяў больш за 90%, сувязь паміж шырынёй лініі крыніцы святла і максімальнай даўжынёй адчування, якую можа дасягнуць сістэма, складае Lmax ~ 0,04vg/f, што азначае, што для валакна даўжынёй 80 км шырыня лініі крыніцы святла менш за 100 Гц. Акрамя таго, распрацоўка іншых прыкладанняў таксама вылучае больш высокія патрабаванні да шырыні лініі крыніцы святла. Напрыклад, у аптычнай валаконна-аптычнай гідрафоннай сістэме шырыня лініі крыніцы святла вызначае шум сістэмы, а таксама вызначае мінімальны вымяральны сігнал сістэмы. У аптычным адбівальніку часавай вобласці Брылюэна (BOTDR) раздзяляльная здольнасць вымярэння тэмпературы і напружання ў асноўным вызначаецца шырынёй лініі крыніцы святла. У рэзанатарным валаконна-аптычным гіраскопе даўжыню кагерэнтнасці светлавой хвалі можна павялічыць, памяншаючы шырыню лініі крыніцы святла, тым самым паляпшаючы тонкасць і глыбіню рэзанансу рэзанатара, памяншаючы шырыню лініі рэзанатара і забяспечваючы дакладнасць вымярэнняў валаконна-аптычным гіраскопам.
1.2 Патрабаванні да крыніц разгорткі лазернага выпраменьвання
Аднахвалевы лазер з гнуткай наладай даўжыні хвалі мае гнуткую наладу даўжыні хвалі, можа замяніць лазеры з фіксаванай даўжынёй хвалі некалькіх выхадоў, зніжае кошт пабудовы сістэмы і з'яўляецца неад'емнай часткай валаконна-аптычнай сістэмы датчыкаў. Напрыклад, пры валаконна-аптычным датчыку слядоў газу розныя віды газаў маюць розныя пікі паглынання газу. Каб забяспечыць эфектыўнасць паглынання святла пры дастатковай колькасці вымяральнага газу і дасягнуць больш высокай адчувальнасці вымярэння, неабходна сумясціць даўжыню хвалі крыніцы прапускаючага святла з пікам паглынання малекулы газу. Тып газу, які можна выявіць, па сутнасці вызначаецца даўжынёй хвалі крыніцы датчыка святла. Такім чынам, вузкалінейныя лазеры са стабільнай шырокапалоснай наладай маюць большую гнуткасць вымярэнняў у такіх сістэмах датчыкаў. Напрыклад, у некаторых размеркаваных валаконна-аптычных сістэмах датчыкаў, заснаваных на адлюстраванні ў аптычнай частотнай вобласці, лазер павінен хутка перыядычна змяняць выпраменьванне для дасягнення высокадакладнага кагерэнтнага выяўлення і дэмадуляцыі аптычных сігналаў, таму хуткасць мадуляцыі лазернай крыніцы мае адносна высокія патрабаванні, і хуткасць разгорткі рэгуляванага лазера звычайна павінна дасягаць 10 пм/мкс. Акрамя таго, лазер з вузкай шырынёй лініі і настройкай даўжыні хвалі можа шырока выкарыстоўвацца ў лідарнай дыяграме, лазерным дыстанцыйным зандзіраванні, спектральным аналізе з высокім разрозненнем і іншых галінах датчыкаў. Каб задаволіць патрабаванні да высокіх параметраў прапускной здольнасці настройкі, дакладнасці настройкі і хуткасці настройкі аднахвалевых лазераў у галіне валаконных датчыкаў, агульнай мэтай вывучэння валаконных лазераў з вузкай шырынёй, якія настройваюцца, у апошнія гады з'яўляецца дасягненне высокадакладнай настройкі ў больш шырокім дыяпазоне даўжынь хваль на аснове дасягнення звышвузкай шырыні лазернай лініі, звышнізкага фазавага шуму і звышстабільнай выходнай частаты і магутнасці.
1.3 Попыт на крыніцу белага лазернага святла
У галіне аптычных датчыкаў высакаякасны лазер белага святла мае вялікае значэнне для паляпшэння прадукцыйнасці сістэмы. Чым шырэйшы спектр лазера белага святла, тым шырэйшае яго прымяненне ў валаконна-аптычных датчыках. Напрыклад, пры выкарыстанні валаконнай брэгаўскай рашоткі (ВБР) для пабудовы сэнсарнай сеткі для дэмадуляцыі можна выкарыстоўваць спектральны аналіз або метад супастаўлення настроўваемых фільтраў. У першым выпадку выкарыстоўваецца спектрометр для непасрэднага тэставання кожнай рэзананснай даўжыні хвалі ВБР у сетцы. У другім выпадку выкарыстоўваецца эталонны фільтр для адсочвання і каліброўкі ВБР пры датчыку, і ў абодвух выпадках патрабуецца шырокапалосная крыніца святла ў якасці тэставай крыніцы святла для ВБР. Паколькі кожная сетка доступу ВБР будзе мець пэўныя ўносныя страты і мае прапускную здольнасць больш за 0,1 нм, адначасовая дэмадуляцыя некалькіх ВБР патрабуе шырокапалоснай крыніцы святла з высокай магутнасцю і высокай прапускной здольнасцю. Напрыклад, пры выкарыстанні доўгаперыядычнай валаконнай рашоткі (ДПВР) для датчыкаў, паколькі прапускная здольнасць аднаго піка страт складае каля 10 нм, для дакладнай характарыстыкі яго рэзанансных пікаў патрабуецца шырокапалосная крыніца святла з дастатковай прапускной здольнасцю і адносна плоскім спектрам. У прыватнасці, акустычная валаконная рашотка (AIFG), пабудаваная з выкарыстаннем акустааптычнага эфекту, можа дасягнуць дыяпазону налады рэзананснай даўжыні хвалі да 1000 нм з дапамогай электрычнай налады. Такім чынам, дынамічнае тэставанне рашотак з такім звышшырокім дыяпазонам налады стварае вялікую праблему для дыяпазону паласы прапускання шырокаспектральнай крыніцы святла. Падобным чынам, у апошнія гады нахільная валаконная рашотка Брэга таксама шырока выкарыстоўваецца ў галіне валаконных датчыкаў. Дзякуючы сваім шматпікавым характарыстыкам спектру страт, дыяпазон размеркавання даўжынь хваль звычайна можа дасягаць 40 нм. Яе механізм датчыкаў звычайна заключаецца ў параўнанні адноснага руху паміж некалькімі пікамі прапускання, таму неабходна вымераць яе спектр прапускання цалкам. Паласа прапускання і магутнасць шырокаспектральнай крыніцы святла павінны быць вышэйшымі.
2. Стан даследаванняў у краіне і за мяжой
2.1 Крыніца лазернага святла з вузкай шырынёй лініі
2.1.1 Вузкашырынны паўправадніковы лазер з размеркаванай зваротнай сувяззю
У 2006 годзе Кліш і інш. паменшылі шкалу паўправадніка ў МГцDFB-лазер(лазер з размеркаванай зваротнай сувяззю) да маштабу кГц з выкарыстаннем метаду электрычнай зваротнай сувязі; У 2011 годзе Кеслер і інш. выкарысталі нізкатэмпературны і высокастабільны монакрышталічны рэзанатар у спалучэнні з актыўнай зваротнай сувяззю для атрымання лазернага выпраменьвання з ультравузкай шырынёй лініі 40 МГц; У 2013 годзе Пэн і інш. атрымалі паўправадніковы лазер з шырынёй лініі 15 кГц, выкарыстоўваючы метад знешняй рэгулявання зваротнай сувязі Фабры-Перо (FP). Метад электрычнай зваротнай сувязі ў асноўным выкарыстоўваў зваротную сувязь стабілізацыі частаты Понда-Дрэвера-Хола, каб паменшыць шырыню лазернай лініі крыніцы святла. У 2010 годзе Бернхардзі і інш. вырабілі 1 см легаванага эрбіем аксіду алюмінію FBG на падкладцы з аксіду крэмнію, каб атрымаць лазерны выпраменьванне з шырынёй лініі каля 1,7 кГц. У тым жа годзе Лян і інш. выкарысталі зваротную сувязь самаінжэкцыі зваротнага рэлееўскага рассейвання, сфарміраванага высокадобратным рэзанатарам рэха-сценкі, для сціску шырыні лініі паўправадніковага лазера, як паказана на малюнку 1, і ў рэшце рэшт атрымалі лазерны выхад з вузкай шырынёй лініі 160 Гц.
Мал. 1 (а) Дыяграма сціскання шырыні лініі паўправадніковага лазера на аснове самаінжэкцыйнага рэлееўскага рассейвання знешняга рэзанатара моды шаптаючай галерэі;
(b) Частотны спектр свабодна працуючага паўправадніковага лазера з шырынёй лініі 8 МГц;
(c) Частотны спектр лазера са сціснутай да 160 Гц шырынёй лініі
2.1.2 Валакновы лазер з вузкай шырынёй лініі
Для валаконных лазераў з лінейным рэзанатарам вузкашырынны лазерны выхадны сігнал адной падоўжнай моды атрымліваецца шляхам скарачэння даўжыні рэзанатара і павелічэння інтэрвалу падоўжных мод. У 2004 годзе Шпігельберг і інш. атрымалі вузкашырынны лазерны выхадны сігнал адной падоўжнай моды з шырынёй лініі 2 кГц, выкарыстоўваючы метад кароткага рэзанатара з двухбаковым рэзанансным братэрствам. У 2007 годзе Шэн і інш. выкарысталі 2-санціметровае крэмніевае валакно, моцна легаванае эрбіем, для запісу ВБГ на фотаадчувальным валакне, сулегаваным Bi-Ge, і аб'ядналі яго з актыўным валакном для ўтварэння кампактнага лінейнага рэзанатара, што зрабіла шырыню яго лазернай выходнай лініі меншай за 1 кГц. У 2010 годзе Ян і інш. выкарысталі 2-санціметровы кароткі лінейны рэзанатар з высокім рэзанансам у спалучэнні з вузкапалосным фільтрам ВБГ, каб атрымаць аднападоўжны лазерны выхадны сігнал з шырынёй лініі менш за 2 кГц. У 2014 годзе каманда выкарыстала кароткі лінейны рэзанатар (віртуальны складзены кальцавы рэзанатар) у спалучэнні з фільтрам FBG-FP для атрымання лазернага выпраменьвання з меншай шырынёй лініі, як паказана на малюнку 3. У 2012 годзе Цай і інш. выкарысталі структуру з кароткім рэзанатарам даўжынёй 1,4 см для атрымання палярызацыйнага лазернага выпраменьвання з выходнай магутнасцю больш за 114 мВт, цэнтральнай даўжынёй хвалі 1540,3 нм і шырынёй лініі 4,1 кГц. У 2013 годзе Мэн і інш. выкарысталі рассеянне Брылюэна на легаваным эрбіем валакне з кароткім кальцавым рэзанатарам прылады з поўным захаваннем зрушэння, каб атрымаць лазерны выпраменьванне з адной падоўжнай модай і нізкім фазавым шумам з выходнай магутнасцю 10 мВт. У 2015 годзе каманда выкарыстала кальцавы рэзанатар, які складаецца з легаванага эрбіем валакна дыяметрам 45 см, у якасці асяроддзя ўзмацнення рассеяння Брылюэна, для атрымання лазернага выпраменьвання з нізкім парогам і вузкай шырынёй лініі.
Мал. 2 (а) Схематычны малюнак валаконнага лазера SLC;
(b) Форма лініі гетэрадыннага сігналу, вымеранага з затрымкай валакна 97,6 км
Час публікацыі: 20 лістапада 2023 г.