Тэхналогія лазернага крыніцыаптычнае валакнозандзіраванне Частка першая
Тэхналогія зандзіравання аптычнага валакна - гэта своеасаблівая тэхналогія зандзіравання, распрацаваная разам з тэхналогіяй аптычнага валакна і тэхналогіяй сувязі па аптавалакне, і яна стала адной з найбольш актыўных галін фотаэлектрычных тэхналогій. Сістэма зандзіравання аптычнага валакна ў асноўным складаецца з лазера, валакна перадачы, адчувальнага элемента або вобласці мадуляцыі, выяўлення святла і іншых частак. Параметры, якія апісваюць характарыстыкі светлавой хвалі, уключаюць інтэнсіўнасць, даўжыню хвалі, фазу, стан палярызацыі і г.д. Гэтыя параметры могуць быць зменены знешнімі ўздзеяннямі пры перадачы па аптычным валакне. Напрыклад, калі тэмпература, дэфармацыя, ціск, ток, зрушэнне, вібрацыя, кручэнне, выгіб і хімічная колькасць уплываюць на аптычны шлях, гэтыя параметры змяняюцца адпаведна. Зандзіраванне аптычнага валакна заснавана на ўзаемасувязі паміж гэтымі параметрамі і знешнімі фактарамі для выяўлення адпаведных фізічных велічынь.
Ёсць шмат відаўкрыніца лазеравыкарыстоўваецца ў валаконна-аптычных сістэмах зандзіравання, якія можна падзяліць на дзве катэгорыі: кагерэнтныялазерныя крыніцыі некагерэнтныя крыніцы святла, некагерэнтныякрыніцы святлау асноўным ўключаюць лямпы напальвання і святловыпрамяняльныя дыёды, а крыніцы кагерэнтнага святла ўключаюць цвёрдыя лазеры, вадкасныя лазеры, газавыя лазеры,паўправадніковы лазерівалаконны лазер. Наступнае ў асноўным длякрыніца лазернага святлаШырока выкарыстоўваюцца ў вобласці валакна зандзіравання ў апошнія гады: вузкая лінія шырыні адначастотны лазер, адна даўжыня хвалі частоты разгорткі лазер і белы лазер.
1.1 Патрабаванні да вузкай шырыні лініілазерныя крыніцы святла
Сістэма зандзіравання аптычнага валакна не можа быць аддзеленая ад крыніцы лазера, так як вымераная апорная светлавая хваля сігналу, сама прадукцыйнасць крыніцы лазернага святла, такія як стабільнасць магутнасці, шырыня лазернай лініі, фазавы шум і іншыя параметры на адлегласці выяўлення сістэмы зандзіравання аптычнага валакна, выяўлення дакладнасць, адчувальнасць і шумавыя характарыстыкі гуляюць вырашальную ролю. У апошнія гады з распрацоўкай оптавалакновых сэнсарных сістэм звышвысокага раздзялення на вялікія адлегласці навуковыя колы і прамысловасць вылучылі больш жорсткія патрабаванні да прадукцыйнасці лазернай мініяцюрызацыі па шырыні лініі, у асноўным у: тэхналогія адлюстравання ў аптычнай частотнай вобласці (OFDR) выкарыстоўвае кагерэнтны Тэхналогія выяўлення для аналізу зваротна-рассеяных сігналаў аптычных валокнаў у частотнай вобласці з шырокім ахопам (тысячы метраў). Перавагі высокага разрознення (раздзяленне міліметровага ўзроўню) і высокай адчувальнасці (да -100 дБм) сталі адной з тэхналогій з шырокімі перспектывамі прымянення ў тэхналогіі размеркаваных вымярэнняў і зандзіравання аптычнага валакна. Ядром тэхналогіі OFDR з'яўляецца выкарыстанне наладжвальнай крыніцы святла для дасягнення аптычнай налады частоты, таму прадукцыйнасць лазернай крыніцы вызначае ключавыя фактары, такія як дыяпазон выяўлення OFDR, адчувальнасць і раздзяляльнасць. 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 гарантаваць, што частата біццяў мае бачнасць больш за 90%, суадносіны паміж шырынёй лініі крыніцы святла і максімальнай даўжынёй адчування, якой 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, развіццё іншых прыкладанняў таксама вылучае больш высокія патрабаванні да шырыні лініі крыніцы святла. Напрыклад, у валаконна-аптычнай гідрафоннай сістэме шырыня лініі крыніцы святла вызначае сістэмны шум, а таксама вызначае мінімальны вымерны сігнал сістэмы. У аптычным адбівальніку Брылюэна (BOTDR) раздзяляльнасць вымярэння тэмпературы і напружання ў асноўным вызначаецца шырынёй лініі крыніцы святла. У рэзанатарным валаконна-аптычным гіраскопе даўжыню кагерэнтнасці светлавой хвалі можна павялічыць за кошт памяншэння шырыні лініі крыніцы святла, тым самым паляпшаючы тонкасць і глыбіню рэзанансу рэзанатара, памяншаючы шырыню лініі рэзанатара і забяспечваючы вымярэнне дакладнасць валаконна-аптычнага гіраскопа.
1.2 Патрабаванні да лазерных крыніц разгорткі
Лазер з разгорткай з адной даўжынёй хвалі мае гнуткую прадукцыйнасць рэгулявання даўжыні хвалі, можа замяніць некалькі лазераў з фіксаванай даўжынёй хвалі на выхадзе, зніжае кошт будаўніцтва сістэмы, з'яўляецца незаменнай часткай сістэмы зандзіравання аптычнага валакна. Напрыклад, пры зандзіраванні газавага валакна розныя віды газаў маюць розныя пікі паглынання газу. Каб забяспечыць эфектыўнасць паглынання святла пры дастатковай колькасці вымяральнага газу і дасягнуць больш высокай адчувальнасці вымярэнняў, неабходна выраўнаваць даўжыню хвалі крыніцы прапускаючага святла з пікам паглынання малекулы газу. Тып газу, які можа быць выяўлены, у асноўным вызначаецца даўжынёй хвалі зандзіруючай крыніцы святла. Такім чынам, лазеры з вузкай шырынёй лініі са стабільнай шырокапалоснай прадукцыйнасцю наладкі маюць больш высокую гнуткасць вымярэнняў у такіх сістэмах зандзіравання. Напрыклад, у некаторых размеркаваных валаконна-аптычных сістэмах зандзіравання, заснаваных на адлюстраванні ў аптычнай частотнай вобласці, для дасягнення высокадакладнага кагерэнтнага выяўлення і дэмадуляцыі аптычных сігналаў патрабуецца хуткая перыядычная разгортка лазера, таму хуткасць мадуляцыі лазернай крыніцы мае адносна высокія патрабаванні. , а хуткасць разгорткі рэгуляванага лазера звычайна павінна дасягаць 10 пм/мкс. Акрамя таго, лазер з вузкай шырынёй лініі з рэгуляванай даўжынёй хвалі таксама можа быць шырока выкарыстаны ў лідарах, лазерным дыстанцыйным зандзіраванні і спектральным аналізе з высокім разрозненнем і іншых палях адчування. Для задавальнення патрабаванняў высокіх параметраў прадукцыйнасці паласы прапускання, дакладнасці і хуткасці наладкі аднахвалевых лазераў у галіне валаконнага зандзіравання агульнай мэтай вывучэння перабудоўных валаконных лазераў з вузкай шырынёй у апошнія гады з'яўляецца дасягненне высокай дакладная налада ў больш шырокім дыяпазоне даўжынь хваль на аснове звышвузкай шырыні лазернай лініі, звышнізкага фазавага шуму і звышстабільнай выходнай частоты і магутнасці.
1.3 Попыт на крыніцу белага лазернага святла
У галіне аптычнага зандзіравання высакаякасны лазер белага святла мае вялікае значэнне для паляпшэння прадукцыйнасці сістэмы. Чым шырэй ахоп спектру лазера белага святла, тым больш шырокае яго прымяненне ў валаконна-аптычнай сістэме зандзіравання. Напрыклад, пры выкарыстанні валаконна-брэггаўскай рашоткі (FBG) для пабудовы сэнсарнай сеткі для дэмадуляцыі можа быць выкарыстаны спектральны аналіз або метад супастаўлення з наладжвальным фільтрам. Першы выкарыстоўваў спектрометр для прамога тэставання кожнай рэзананснай даўжыні хвалі FBG у сетцы. Апошні выкарыстоўвае эталонны фільтр для адсочвання і каліброўкі FBG пры зандзіраванні, абодва з якіх патрабуюць шырокапалоснай крыніцы святла ў якасці тэставай крыніцы святла для FBG. Паколькі кожная сетка доступу FBG будзе мець пэўныя ўносяцца страты і шырыню прапускання больш за 0,1 нм, адначасовая дэмадуляцыя некалькіх FBG патрабуе шырокапалоснай крыніцы святла з высокай магутнасцю і шырокай прапускной здольнасцю. Напрыклад, пры выкарыстанні доўгаперыядычнай валаконнай рашоткі (LPFG) для зандзіравання, паколькі паласа прапускання аднаго піка страт складае парадку 10 нм, для дакладнай характарыстыкі яе рэзанансу патрабуецца крыніца святла шырокага спектру з дастатковай паласой прапускання і адносна плоскім спектрам. пікавыя характарыстыкі. У прыватнасці, рашотка з акустычнага валакна (AIFG), пабудаваная з выкарыстаннем акустааптычнага эфекту, можа дасягнуць дыяпазону перабудовы рэзананснай даўжыні хвалі да 1000 нм з дапамогай электрычнай налады. Такім чынам, тэставанне дынамічнай рашоткі з такім звышшырокім дыяпазонам налады стварае вялікую праблему для дыяпазону прапускной здольнасці крыніцы святла шырокага спектру. Падобным чынам у апошнія гады нахіленая рашотка з валакна Брэгга таксама шырока выкарыстоўваецца ў галіне зандзіравання валакна. З-за шматпікавых характарыстык спектру страт дыяпазон размеркавання даўжыні хвалі звычайна можа дасягаць 40 нм. Яго механізм адчування звычайна заключаецца ў параўнанні адноснага руху некалькіх пікаў перадачы, таму неабходна цалкам вымераць спектр яго перадачы. Прапускная здольнасць і магутнасць крыніцы святла шырокага спектру павінны быць вышэй.
2. Статус даследаванняў у краіне і за мяжой
2.1 Вузкая лазерная крыніца святла
2.1.1 Вузкапалосны паўправадніковы лазер з размеркаванай зваротнай сувяззю
У 2006 годзе Cliche et al. паменшаная шкала паўправадніка ў МГцDFB лазер(лазер з размеркаванай зваротнай сувяззю) у шкале кГц з выкарыстаннем метаду электрычнай зваротнай сувязі; У 2011 годзе Kessler et al. выкарыстоўваўся нізкатэмпературны і высокастабільны монокристаллический рэзанатар у спалучэнні з актыўным кіраваннем зваротнай сувяззю для атрымання звышвузкай лініі выхаду лазера 40 МГц; У 2013 годзе Пэн і іншыя атрымалі выхад паўправадніковага лазера з шырынёй лініі 15 кГц з дапамогай метаду рэгулявання знешняй зваротнай сувязі Фабры-Перо (FP). Метад электрычнай зваротнай сувязі ў асноўным выкарыстоўваў зваротную сувязь са стабілізацыяй частоты Понда-Дрэвера-Холла, каб паменшыць шырыню лазернай лініі крыніцы святла. У 2010 г. Bernhardi et al. вырабіў 1 см легіраванага эрбіем аксіду алюмінія FBG на падкладцы з аксіду крэмнія для атрымання лазернага выхаду з шырынёй лініі каля 1,7 кГц. У тым жа годзе Лян і соавт. выкарыстаў зваротную сувязь самаін'екцыі зваротнага рассейвання Рэлея, утвораную рэзанатарам сценкі рэха з высокай добрасцю, для сціску шырыні лініі паўправадніковага лазера, як паказана на малюнку 1, і, нарэшце, атрымаў выхад лазера з вузкай шырынёй лініі 160 Гц.
Мал. 1 (а) Дыяграма сціску шырыні лініі паўправадніковага лазера на аснове самаін'екцыі рэлееўскага рассейвання вонкавага рэзанатара мод шаптучай галерэі;
(b) частотны спектр свабоднага паўправадніковага лазера з шырынёй лініі 8 МГц;
(С) Спектр частот лазера з шырынёй лініі, сціснутай да 160 Гц
2.1.2 Валаконны вузкалінейны лазер
Для валаконных лазераў з лінейным рэзонатарам вузкапалосны выхад лазера з адной падоўжнай модай атрымліваецца шляхам скарачэння даўжыні рэзанатара і павелічэння інтэрвалу падоўжных мод. У 2004 г. Шпігельберг і інш. атрымаў аднамодавы падоўжны лазер з вузкай шырынёй лініі з шырынёй лініі 2 кГц з дапамогай метаду DBR з кароткім рэзонатарам. У 2007 годзе Shen і соавт. выкарыстаў 2-сантыметровае крэмніевае валакно, моцна легаванае эрбіем, для запісу FBG на святлоадчувальным валакне, легіраванае Bi-Ge, і зліў яго з актыўным валакном, каб утварыць кампактны лінейны рэзанатар, зрабіўшы шырыню лініі выхаду лазера менш за 1 кГц. У 2010 годзе Ян і соавт. выкарыстаў 2-сантыметровы кароткі лінейны рэзанатар з высокім утрыманнем легіровак у спалучэнні з вузкапалосным фільтрам FBG, каб атрымаць выхад лазера з адной падоўжнай модай з шырынёй лініі менш за 2 кГц. У 2014 г. каманда выкарыстала кароткі лінейны рэзанатар (віртуальны сагнуты кальцавой рэзанатар) у спалучэнні з фільтрам FBG-FP, каб атрымаць выхад лазера з меншай шырынёй лініі, як паказана на малюнку 3. У 2012 г. Cai et al. выкарыстаў структуру з кароткім рэзонатарам 1,4 см для атрымання палярызацыйнага лазера з выхадной магутнасцю больш за 114 мВт, цэнтральнай даўжынёй хвалі 1540,3 нм і шырынёй лініі 4,1 кГц. У 2013 годзе Мэн і соавт. выкарыстаў рассейванне Брылюэна валакна, легаванага эрбіем, з кароткай кальцавой паражніной прылады, якая захоўвае поўнае зрушэнне, для атрымання аднападоўжнай моды з нізкафазавым шумам на выхадзе лазера з выхадной магутнасцю 10 мВт. У 2015 годзе каманда выкарыстала кальцавую паражніну, якая складаецца з 45-сантыметровага валакна, легаванага эрбіем, у якасці асяроддзя ўзмацнення рассейвання Брылюэна для атрымання нізкага парога і вузкай шырыні лініі выхаду лазера.
Мал. 2 (а) Схематычны малюнак валаконнага лазера SLC;
(Б) Форма лініі гетэрадзіннага сігналу, вымеранага з затрымкай валакна 97,6 км
Час публікацыі: 20 лістапада 2023 г