Teknolojia ya chanzo cha leza kwanyuzi za machoSehemu ya Kwanza ya Kuhisi
Teknolojia ya kuhisi nyuzi macho ni aina ya teknolojia ya kuhisi iliyotengenezwa pamoja na teknolojia ya nyuzi macho na teknolojia ya mawasiliano ya nyuzi macho, na imekuwa moja ya matawi yanayofanya kazi zaidi ya teknolojia ya fotoelektri. Mfumo wa kuhisi nyuzi macho unaundwa zaidi na leza, nyuzi za upitishaji, kipengele cha kuhisi au eneo la moduli, ugunduzi wa mwanga na sehemu zingine. Vigezo vinavyoelezea sifa za wimbi la mwanga ni pamoja na nguvu, urefu wa wimbi, awamu, hali ya upolarishaji, n.k. Vigezo hivi vinaweza kubadilishwa na ushawishi wa nje katika upitishaji wa nyuzi macho. Kwa mfano, wakati halijoto, mkazo, shinikizo, mkondo, uhamishaji, mtetemo, mzunguko, kupinda na wingi wa kemikali vinapoathiri njia ya macho, vigezo hivi hubadilika ipasavyo. Kuhisi nyuzi macho kunategemea uhusiano kati ya vigezo hivi na vipengele vya nje ili kugundua kiasi kinacholingana cha kimwili.
Kuna aina nyingi zachanzo cha lezahutumika katika mifumo ya kuhisi nyuzi za macho, ambayo inaweza kugawanywa katika makundi mawili: thabitivyanzo vya lezana vyanzo vya mwanga visivyoeleweka, visivyoelewekavyanzo vya mwangahasa hujumuisha mwanga wa incandescent na diode zinazotoa mwanga, na vyanzo vya mwanga vinavyoeleweka hujumuisha leza imara, leza za kioevu, leza za gesi,leza ya nusu nusunaleza ya nyuziYafuatayo ni kwa ajili yachanzo cha mwanga wa lezakutumika sana katika uwanja wa kuhisi nyuzi katika miaka ya hivi karibuni: leza nyembamba ya masafa moja yenye upana wa mstari mwembamba, leza ya masafa ya kufagia yenye urefu wa mawimbi moja na leza nyeupe.
1.1 Mahitaji ya upana mwembamba wa mstarivyanzo vya mwanga wa leza
Mfumo wa kuhisi nyuzi macho hauwezi kutenganishwa na chanzo cha leza, kwani wimbi la mwanga linalobeba ishara lililopimwa, chanzo cha mwanga cha leza chenyewe utendaji, kama vile uthabiti wa nguvu, upana wa mstari wa leza, kelele ya awamu na vigezo vingine kwenye mfumo wa kuhisi nyuzi macho umbali wa kugundua, usahihi wa kugundua, unyeti na sifa za kelele huchukua jukumu muhimu. Katika miaka ya hivi karibuni, pamoja na maendeleo ya mifumo ya kuhisi nyuzi macho ya masafa marefu yenye ubora wa juu sana, wasomi na tasnia wameweka mbele mahitaji magumu zaidi kwa utendaji wa upana wa mstari wa upunguzaji wa laser, haswa katika: teknolojia ya tafakari ya kikoa cha masafa ya macho (OFDR) hutumia teknolojia ya kugundua thabiti kuchambua ishara zilizotawanyika za nyuma za nyuzi macho katika kikoa cha masafa, na chanjo pana (maelfu ya mita). Faida za ubora wa juu (ubora wa kiwango cha milimita) na unyeti wa juu (hadi -100 dBm) zimekuwa moja ya teknolojia zenye matarajio mapana ya matumizi katika upimaji na teknolojia ya kuhisi nyuzi macho iliyosambazwa. Msingi wa teknolojia ya OFDR ni kutumia chanzo cha mwanga kinachoweza kubadilishwa ili kufikia urekebishaji wa masafa ya macho, kwa hivyo utendaji wa chanzo cha leza huamua mambo muhimu kama vile anuwai ya kugundua OFDR, unyeti na azimio. Wakati umbali wa sehemu ya kuakisi uko karibu na urefu wa mshikamano, nguvu ya ishara ya mapigo itapunguzwa kwa kasi na mgawo τ/τc. Kwa chanzo cha mwanga cha Gaussian chenye umbo la spectral, ili kuhakikisha kwamba masafa ya mapigo yana mwonekano wa zaidi ya 90%, uhusiano kati ya upana wa mstari wa chanzo cha mwanga na urefu wa juu zaidi wa kuhisi ambao mfumo unaweza kufikia ni Lmax~0.04vg/f, ambayo ina maana kwamba kwa nyuzi yenye urefu wa kilomita 80, upana wa mstari wa chanzo cha mwanga ni chini ya 100 Hz. Kwa kuongezea, maendeleo ya matumizi mengine pia yanaweka mahitaji ya juu zaidi kwa upana wa mstari wa chanzo cha mwanga. Kwa mfano, katika mfumo wa hidrofoni ya nyuzi za macho, upana wa mstari wa chanzo cha mwanga huamua kelele ya mfumo na pia huamua ishara ya chini kabisa inayoweza kupimika ya mfumo. Katika kiakisi cha muda cha macho cha Brillouin (BOTDR), azimio la kipimo cha halijoto na mkazo huamuliwa hasa na upana wa mstari wa chanzo cha mwanga. Katika gyro ya fiber optic ya resonator, urefu wa mshikamano wa wimbi la mwanga unaweza kuongezwa kwa kupunguza upana wa mstari wa chanzo cha mwanga, na hivyo kuboresha unene na kina cha mwangwi wa resonator, kupunguza upana wa mstari wa resonator, na kuhakikisha usahihi wa kipimo cha gyro ya fiber optic.
1.2 Mahitaji ya vyanzo vya leza ya kufagia
Laser ya kufagia urefu wa wimbi moja ina utendaji rahisi wa kurekebisha urefu wa wimbi, inaweza kuchukua nafasi ya leza nyingi za urefu wa wimbi zisizobadilika, kupunguza gharama ya ujenzi wa mfumo, ni sehemu muhimu ya mfumo wa kuhisi nyuzi za macho. Kwa mfano, katika kuhisi nyuzi za gesi chache, aina tofauti za gesi zina vilele tofauti vya kunyonya gesi. Ili kuhakikisha ufanisi wa kunyonya mwanga wakati gesi ya kipimo inatosha na kufikia unyeti wa juu wa kipimo, ni muhimu kuoanisha urefu wa wimbi wa chanzo cha mwanga wa upitishaji na kilele cha kunyonya cha molekuli ya gesi. Aina ya gesi ambayo inaweza kugunduliwa kimsingi huamuliwa na urefu wa wimbi wa chanzo cha mwanga cha kuhisi. Kwa hivyo, leza nyembamba za upana wa mstari zenye utendaji thabiti wa kurekebisha upana wa broadband zina unyumbufu wa juu wa kipimo katika mifumo kama hiyo ya kuhisi. Kwa mfano, katika baadhi ya mifumo ya kuhisi nyuzi za macho iliyosambazwa kulingana na tafakari ya kikoa cha masafa ya macho, leza inahitaji kufagia haraka mara kwa mara ili kufikia ugunduzi na uondoaji sahihi wa ishara za macho, kwa hivyo kiwango cha urekebishaji wa chanzo cha leza kina mahitaji ya juu kiasi, na kasi ya kufagia ya leza inayoweza kurekebishwa kawaida inahitajika kufikia 10 pm/μs. Kwa kuongezea, leza ya upana mwembamba wa mstari mwembamba inayoweza kubadilishwa kwa urefu wa wimbi inaweza pia kutumika sana katika liDAR, upimaji wa mbali wa leza na uchambuzi wa spektri zenye ubora wa juu na nyanja zingine za kuhisi. Ili kukidhi mahitaji ya vigezo vya utendaji wa juu wa kipimo data cha urekebishaji, usahihi wa urekebishaji na kasi ya urekebishaji wa leza za urefu wa wimbi moja katika uwanja wa upimaji wa nyuzi, lengo la jumla la kusoma leza za upana mwembamba zinazoweza kubadilishwa katika miaka ya hivi karibuni ni kufikia urekebishaji wa usahihi wa hali ya juu katika safu kubwa ya wimbi kwa msingi wa kufuata upana mwembamba wa mstari wa leza, kelele ya awamu ya chini sana, na masafa na nguvu ya pato thabiti sana.
1.3 Mahitaji ya chanzo cha mwanga mweupe wa leza
Katika uwanja wa utambuzi wa macho, leza nyeupe ya ubora wa juu ina umuhimu mkubwa katika kuboresha utendaji wa mfumo. Kadiri wigo wa leza nyeupe unavyoenea, ndivyo matumizi yake yanavyoongezeka katika mfumo wa utambuzi wa nyuzi za macho. Kwa mfano, wakati wa kutumia wavu wa nyuzi za Bragg (FBG) kujenga mtandao wa sensa, uchambuzi wa spektrali au mbinu ya kulinganisha vichujio inayoweza kubadilishwa inaweza kutumika kwa ajili ya uondoaji wa data. Ya kwanza ilitumia spektromita kujaribu moja kwa moja kila urefu wa wimbi la mwangwi wa FBG kwenye mtandao. Ya pili hutumia kichujio cha marejeleo kufuatilia na kurekebisha FBG katika uondoaji, ambazo zote zinahitaji chanzo cha mwanga wa broadband kama chanzo cha mwanga cha majaribio kwa FBG. Kwa sababu kila mtandao wa ufikiaji wa FBG utakuwa na hasara fulani ya kuingiza, na una kipimo data cha zaidi ya 0.1 nm, uondoaji wa data wa FBG nyingi kwa wakati mmoja unahitaji chanzo cha mwanga cha broadband chenye nguvu kubwa na kipimo data cha juu. Kwa mfano, unapotumia wavu wa nyuzinyuzi wa muda mrefu (LPFG) kwa ajili ya kuhisi, kwa kuwa kipimo data cha kilele kimoja cha hasara ni katika mpangilio wa nanomita 10, chanzo cha mwanga cha wigo mpana chenye kipimo data cha kutosha na wigo tambarare kiasi kinahitajika ili kubainisha kwa usahihi sifa zake za kilele cha mwangwi. Hasa, wavu wa nyuzinyuzi za akustisk (AIFG) uliojengwa kwa kutumia athari ya acousto-optical unaweza kufikia kiwango cha urekebishaji wa urefu wa wimbi la mwangwi hadi nanomita 1000 kwa njia ya urekebishaji wa umeme. Kwa hivyo, upimaji wa wavu wenye nguvu na kiwango kama hicho cha urekebishaji wa upana wa juu hutoa changamoto kubwa kwa kiwango cha kipimo data cha chanzo cha mwanga cha wigo mpana. Vile vile, katika miaka ya hivi karibuni, wavu wa nyuzinyuzi wa Bragg ulioinama pia umetumika sana katika uwanja wa kuhisi nyuzi. Kwa sababu ya sifa zake za wigo wa upotezaji wa kilele cha juu, kiwango cha usambazaji wa urefu wa wimbi kwa kawaida kinaweza kufikia nanomita 40. Utaratibu wake wa kuhisi kwa kawaida ni kulinganisha harakati za jamaa kati ya vilele vingi vya upitishaji, kwa hivyo ni muhimu kupima wigo wake wa upitishaji kikamilifu. Upeo na nguvu ya chanzo cha mwanga cha wigo mpana zinahitajika kuwa juu zaidi.
2. Hali ya utafiti ndani na nje ya nchi
2.1 Chanzo cha mwanga mwembamba wa leza wenye upana wa mstari
2.1.1 Leza ya maoni iliyosambazwa ya semiconductor yenye upana mwembamba wa mstari
Mnamo 2006, Cliche et al. walipunguza kiwango cha MHz cha semiconductorLeza ya DFB(laza ya maoni iliyosambazwa) hadi kipimo cha kHz kwa kutumia mbinu ya maoni ya umeme; Mnamo 2011, Kessler na wenzake walitumia joto la chini na uwazi wa juu wa fuwele moja pamoja na udhibiti hai wa maoni ili kupata pato la leza la upana wa mstari mwembamba sana wa 40 MHz; Mnamo 2013, Peng na wenzake walipata pato la leza ya semiconductor lenye upana wa mstari wa 15 kHz kwa kutumia njia ya marekebisho ya maoni ya nje ya Fabry-Perot (FP). Mbinu ya maoni ya umeme ilitumia zaidi maoni ya utulivu wa masafa ya Pond-Drever-Hall ili kupunguza upana wa mstari wa leza wa chanzo cha mwanga. Mnamo 2010, Bernhardi na wenzake walizalisha 1 cm ya alumina FBG iliyochanganywa na erbium kwenye substrate ya oksidi ya silicon ili kupata pato la leza lenye upana wa mstari wa takriban 1.7 kHz. Katika mwaka huo huo, Liang na wenzake. ilitumia mrejesho wa kujidunga wa kutawanyika kwa Rayleigh nyuma ulioundwa na kihisishi cha ukuta cha echo cha Q cha juu kwa ajili ya mgandamizo wa upana wa mstari wa leza ya semiconductor, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 1, na hatimaye ikapata pato jembamba la leza la upana wa mstari la 160 Hz.
Mchoro 1 (a) Mchoro wa mgandamizo wa upana wa mstari wa leza ya semiconductor kulingana na mtawanyiko wa Rayleigh wa kujidunga wa resonator ya hali ya matunzio ya kunong'ona ya nje;
(b) Wigo wa masafa ya leza ya nusu-sekunde inayofanya kazi bila malipo yenye upana wa mstari wa 8 MHz;
(c) Wigo wa masafa ya leza yenye upana wa mstari uliobanwa hadi 160 Hz
2.1.2 Leza ya nyuzi yenye upana mwembamba
Kwa leza za nyuzi za mstari, utoaji wa leza nyembamba ya upana wa mstari wa hali moja ya longitudinal hupatikana kwa kufupisha urefu wa resonator na kuongeza muda wa hali ya longitudinal. Mnamo 2004, Spiegelberg et al. walipata utoaji wa leza nyembamba ya mstari wa longitudinal mode moja yenye upana wa mstari wa 2 kHz kwa kutumia mbinu ya DBR short cavity. Mnamo 2007, Shen et al. walitumia nyuzi za silikoni zenye erbium nyingi zenye urefu wa sentimita 2 kuandika FBG kwenye nyuzi nyeti ya mwanga iliyochanganywa na Bi-Ge, na kuichanganya na nyuzi inayofanya kazi ili kuunda cavity ndogo ya mstari, na kufanya upana wa mstari wake wa kutoa leza kuwa chini ya 1 kHz. Mnamo 2010, Yang et al. walitumia cavity fupi ya mstari yenye urefu wa sentimita 2 pamoja na kichujio cha FBG chembamba ili kupata utoaji wa leza moja ya mode ya longitudinal yenye upana wa mstari wa chini ya 2 kHz. Mnamo 2014, timu ilitumia uwazi mfupi wa mstari (resonator ya pete iliyokunjwa pepe) pamoja na kichujio cha FBG-FP ili kupata pato la leza lenye upana mwembamba wa mstari, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 3. Mnamo 2012, Cai et al. walitumia muundo mfupi wa uwazi wa sentimita 1.4 ili kupata pato la leza linalogawanya leza lenye nguvu ya kutoa zaidi ya 114 mW, urefu wa wimbi la kati wa 1540.3 nm, na upana wa mstari wa 4.1 kHz. Mnamo 2013, Meng et al. walitumia utawanyiko wa Brillouin wa nyuzi iliyochanganywa na erbium na uwazi mfupi wa pete wa kifaa cha kuhifadhi upendeleo kamili ili kupata hali ya longitudinal moja, pato la leza la kelele la awamu ya chini lenye nguvu ya kutoa ya 10 mW. Mnamo 2015, timu ilitumia uwazi wa pete ulioundwa na nyuzi iliyochanganywa na erbium ya sentimita 45 kama kipato cha kati cha utawanyiko wa Brillouin ili kupata kizingiti cha chini na pato nyembamba la leza ya upana wa mstari.
Mchoro 2 (a) Mchoro wa kimfumo wa leza ya nyuzi ya SLC;
(b) Umbo la mstari wa ishara ya heterodyne iliyopimwa kwa kuchelewa kwa nyuzinyuzi kwa kilomita 97.6
Muda wa chapisho: Novemba-20-2023