Teknolojia ya chanzo cha laser kwafiber ya machokuhisi Sehemu ya Kwanza
Teknolojia ya kuhisi nyuzi za macho ni aina ya teknolojia ya kuhisi iliyotengenezwa pamoja na teknolojia ya nyuzi za macho na teknolojia ya mawasiliano ya nyuzi za macho, na imekuwa mojawapo ya matawi amilifu ya teknolojia ya upigaji picha. Mfumo wa kuhisi nyuzi za macho unajumuisha zaidi leza, nyuzinyuzi za upitishaji, kipengele cha kuhisi au eneo la urekebishaji, ugunduzi wa mwanga na sehemu nyinginezo. Vigezo vinavyoelezea sifa za wimbi la mwanga ni pamoja na ukubwa, urefu wa wimbi, awamu, hali ya polarization, nk. Vigezo hivi vinaweza kubadilishwa na ushawishi wa nje katika maambukizi ya nyuzi za macho. Kwa mfano, wakati hali ya joto, matatizo, shinikizo, sasa, uhamisho, vibration, mzunguko, bending na wingi wa kemikali huathiri njia ya macho, vigezo hivi vinabadilika sawa. Kuhisi nyuzi za macho kunatokana na uhusiano kati ya vigezo hivi na vipengele vya nje ili kugundua kiasi cha kimwili kinacholingana.
Kuna aina nyingi zachanzo cha laserkutumika katika mifumo ya kuhisi nyuzi za macho, ambayo inaweza kugawanywa katika makundi mawili: madhubutivyanzo vya laserna vyanzo visivyofuatana vya mwanga, visivyoshikamanavyanzo vya mwangahasa ni pamoja na mwanga wa incandescent na diodi zinazotoa mwanga, na vyanzo vya mwanga vinavyoshikamana ni pamoja na leza dhabiti, leza za kioevu, leza za gesi,laser ya semiconductornafiber laser. Ifuatayo ni hasa kwa ajili yachanzo cha mwanga cha lasersana kutumika katika uwanja wa kuhisi nyuzi katika miaka ya hivi karibuni: mstari mwembamba upana single-frequency laser, single-wavelength kufagia frequency laser na nyeupe laser.
1.1 Mahitaji ya upana wa mstari mwembambavyanzo vya mwanga vya laser
Mfumo wa kutambua nyuzi macho hauwezi kutenganishwa na chanzo cha leza, kama mawimbi ya mwanga ya kibebea mawimbi, chanzo cha mwanga cha leza chenyewe utendakazi, kama vile uthabiti wa nguvu, upana wa mstari wa leza, kelele ya awamu na vigezo vingine kwenye umbali wa utambuzi wa mfumo wa kuhisi nyuzi za macho, utambuzi. usahihi, unyeti na sifa za kelele huchukua jukumu muhimu. Katika miaka ya hivi karibuni, pamoja na maendeleo ya mifumo ya masafa marefu ya azimio la juu zaidi ya kuhisi nyuzi, wasomi na tasnia wameweka mahitaji magumu zaidi kwa utendakazi wa upana wa mstari wa upunguzaji wa laser, haswa katika: teknolojia ya kuakisi masafa ya macho (OFDR) hutumia madhubuti. teknolojia ya kugundua ili kuchanganua ishara zilizotawanyika za backrayleigh za nyuzi za macho kwenye kikoa cha masafa, zenye mfuniko mpana (maelfu ya mita). Faida za azimio la juu (azimio la kiwango cha milimita) na unyeti wa juu (hadi -100 dBm) zimekuwa moja ya teknolojia iliyo na matarajio mapana ya matumizi katika kipimo cha nyuzi za macho na teknolojia ya kuhisi. Msingi wa teknolojia ya OFDR ni kutumia chanzo cha mwanga kinachoweza kushikana ili kufikia urekebishaji wa masafa ya macho, kwa hivyo utendakazi wa chanzo cha leza huamua vipengele muhimu kama vile anuwai ya ugunduzi wa OFDR, unyeti na azimio. Wakati umbali wa sehemu ya kuakisi uko karibu na urefu wa mshikamano, ukubwa wa mawimbi ya mpigo utapunguzwa kwa kasi na mgawo τ/τc. Kwa chanzo cha mwanga cha Gaussian chenye umbo la spectral, ili kuhakikisha kuwa mzunguko wa mpigo una mwonekano zaidi ya 90%, uhusiano kati ya upana wa mstari wa chanzo cha mwanga na urefu wa juu wa kuhisi ambao mfumo unaweza kufikia ni Lmax~0.04vg. /f, ambayo ina maana kwamba kwa fiber yenye urefu wa kilomita 80, upana wa mstari wa chanzo cha mwanga ni chini ya 100 Hz. Kwa kuongeza, uundaji wa programu zingine pia huweka 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 ya kupima ya mfumo. Katika kiakisi cha saa ya macho cha Brillouin (BOTDR), azimio la kipimo cha halijoto na mkazo hubainishwa hasa na upana wa mstari wa chanzo cha mwanga. Katika gyro ya macho ya nyuzi ya resonator, urefu wa mshikamano wa wimbi la mwanga unaweza kuongezwa kwa kupunguza upana wa mstari wa chanzo cha mwanga, na hivyo kuboresha ukamilifu na kina cha resonance ya resonator, kupunguza upana wa mstari wa resonator, na kuhakikisha kipimo. usahihi wa gyro ya fiber optic.
1.2 Mahitaji ya kufagia vyanzo vya laser
Single wavelength kufagia laser ina rahisi wavelength tuning utendaji, inaweza kuchukua nafasi ya pato nyingi fasta wavelength lasers, kupunguza gharama ya ujenzi wa mfumo, ni sehemu ya lazima ya mfumo wa macho nyuzi kuhisi. Kwa mfano, katika kutambua nyuzinyuzi za gesi, aina tofauti za gesi zina vilele tofauti vya kufyonzwa kwa 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 la chanzo cha mwanga cha upitishaji na kilele cha kunyonya cha molekuli ya gesi. Aina ya gesi ambayo inaweza kutambuliwa kimsingi imedhamiriwa na urefu wa wimbi la chanzo cha mwanga cha kuhisi. Kwa hivyo, leza za upana wa mstari zilizo na utendakazi dhabiti wa urekebishaji wa bendi pana zina unyumbufu wa juu wa kipimo katika mifumo kama hiyo ya kutambua. Kwa mfano, katika baadhi ya mifumo iliyosambazwa ya vihisi vya nyuzi macho kulingana na uakisi wa kikoa cha masafa ya macho, leza inahitaji kufagiliwa mara kwa mara ili kufikia ugunduzi wa uthabiti wa hali ya juu na upunguzaji wa mawimbi ya macho, kwa hivyo kiwango cha urekebishaji cha chanzo cha leza kina mahitaji ya juu kiasi. , na kasi ya kufagia ya laser inayoweza kubadilishwa kawaida inahitajika kufikia 10 pm/μs. Kwa kuongezea, leza yenye upana wa urefu wa mawimbi inayoweza kutumika pia inaweza kutumika sana katika liDAR, vihisishi vya mbali vya leza na uchanganuzi wa taswira wa azimio la juu na nyanja zingine za hisi. Ili kukidhi mahitaji ya vigezo vya juu vya utendaji wa kipimo data cha tuning, usahihi wa kupanga na kasi ya kurekebisha ya leza za urefu wa wimbi moja katika uwanja wa kuhisi nyuzi, lengo la jumla la kusoma lasers za nyuzi zenye upana mwembamba katika miaka ya hivi karibuni ni kufikia kiwango cha juu. urekebishaji kwa usahihi katika masafa makubwa ya urefu wa mawimbi kwa misingi ya kufuata upana wa mstari wa leza-nyembamba zaidi, kelele ya awamu ya chini kabisa, na masafa na nguvu za kutoa matokeo thabiti.
1.3 Mahitaji ya chanzo cha mwanga cha laser nyeupe
Katika uwanja wa kuhisi macho, laser nyeupe ya ubora wa juu ni ya umuhimu mkubwa ili kuboresha utendaji wa mfumo. Kadiri wigo wa leza nyeupe inavyoenea, ndivyo utumiaji wake katika mfumo wa kuhisi nyuzi za macho unavyoongezeka. Kwa mfano, unapotumia fiber Bragg grating (FBG) kuunda mtandao wa vitambuzi, uchanganuzi wa taswira au mbinu ya kulinganisha kichujio inayoweza kutumika inaweza kutumika kwa upunguzaji. Ya kwanza ilitumia spectrometer kujaribu moja kwa moja kila urefu wa resonant ya FBG kwenye mtandao. Mwisho hutumia kichujio cha marejeleo kufuatilia na kusawazisha FBG katika hisia, zote zinahitaji chanzo cha mwanga wa mtandao mpana kama chanzo cha mwanga cha majaribio cha FBG. Kwa sababu kila mtandao wa ufikiaji wa FBG utakuwa na upotezaji fulani wa uwekaji, na una kipimo data cha zaidi ya 0.1 nm, upunguzaji wa wakati huo huo wa FBG nyingi unahitaji chanzo cha mwanga wa broadband na nguvu ya juu na kipimo cha juu cha data. Kwa mfano, wakati wa kutumia wavu wa nyuzi za muda mrefu (LPFG) kwa kuhisi, kwa kuwa kipimo cha data cha kilele cha upotezaji mmoja kiko katika mpangilio wa nm 10, chanzo cha mwanga cha wigo mpana na kipimo cha kutosha na wigo wa gorofa inahitajika ili kuashiria kwa usahihi sifa yake ya sauti. sifa za kilele. Hasa, wavu wa nyuzi akustisk (AIFG) uliojengwa kwa kutumia athari ya acousto-optical inaweza kufikia safu ya urekebishaji ya urefu wa resonant hadi nm 1000 kwa njia ya kurekebisha umeme. Kwa hivyo, upimaji wa wavu unaobadilika na safu kubwa kama hiyo ya urekebishaji huleta changamoto kubwa kwa masafa ya kipimo data cha chanzo cha mwanga cha wigo mpana. Vile vile, katika miaka ya hivi karibuni, wavu wa nyuzinyuzi za Bragg pia umetumika sana katika uwanja wa kuhisi nyuzi. Kutokana na sifa zake za wigo wa upotevu wa vilele vingi, safu ya usambazaji wa urefu wa wimbi inaweza kawaida kufikia 40 nm. Utaratibu wake wa kuhisi ni kawaida kulinganisha harakati ya jamaa kati ya vilele vingi vya maambukizi, kwa hivyo ni muhimu kupima wigo wake wa upitishaji kabisa. Bandwidth na nguvu ya chanzo cha mwanga wa wigo mpana inahitajika kuwa ya juu zaidi.
2. Hali ya utafiti ndani na nje ya nchi
2.1 Chanzo cha mwanga cha leza yenye upana wa mstari
2.1.1 Semicondukta yenye upana wa laini iliyosambazwa leza ya maoni
Mnamo 2006, Cliche et al. ilipunguza kiwango cha MHz cha semiconductorLaser ya DFB(laza ya maoni iliyosambazwa) kwa kiwango cha kHz kwa kutumia mbinu ya maoni ya umeme; Mnamo 2011, Kessler et al. imetumia halijoto ya chini na uthabiti wa juu wa kaviti moja ya fuwele pamoja na udhibiti amilifu wa maoni ili kupata pato la laser ya upana wa mstari mwembamba zaidi ya 40 MHz; Mnamo 2013, Peng et al alipata pato la laser ya semiconductor yenye upana wa mstari wa 15 kHz kwa kutumia njia ya marekebisho ya maoni ya Fabry-Perot (FP). Mbinu ya maoni ya umeme ilitumia zaidi maoni ya uimarishaji wa mzunguko wa Pond-Drever-Hall ili kufanya upana wa leza wa chanzo cha mwanga kupunguzwa. Mnamo 2010, Bernhardi et al. ilizalisha sentimita 1 ya alumina ya erbium-doped FBG kwenye substrate ya oksidi ya silicon ili kupata pato la leza yenye upana wa mstari wa takriban 1.7 kHz. Katika mwaka huo huo, Liang et al. ilitumia maoni ya kujidunga ya mtawanyiko wa nyuma wa Rayleigh ulioundwa na kinasa sauti cha juu cha Q ya mwangwi wa ukuta kwa mgandamizo wa upana wa mstari wa leza ya semicondukta, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 1, na hatimaye kupata leza ya upana wa mstari mwembamba ya 160 Hz.
Kielelezo 1 (a) Mchoro wa mfinyazo wa upana wa mstari wa leza ya semicondukta kulingana na mtawanyiko wa kujidunga wa Rayleigh wa resonator ya modi ya matunzio ya kunong'ona;
(b) Wigo wa mzunguko wa leza ya semiconductor inayoendesha bila malipo na upana wa mstari wa 8 MHz;
(c) Wigo wa marudio ya leza yenye upana wa mstari uliobanwa hadi 160 Hz
2.1.2 Leza ya nyuzinyuzi yenye upana wa mstari
Kwa lasers za nyuzi za cavity ya mstari, pato la laser ya upana wa mstari wa mode moja ya longitudinal hupatikana kwa kufupisha urefu wa resonator na kuongeza muda wa modi ya longitudinal. Mnamo 2004, Spiegelberg et al. ilipata modi moja ya longitudinal pato la laser yenye upana wa mstari na upana wa mstari wa kHz 2 kwa kutumia njia ya matundu fupi ya DBR. Mnamo 2007, Shen et al. ilitumia nyuzinyuzi ya silikoni ya erbium-doped sana ya sentimita 2 kuandika FBG kwenye nyuzinyuzi ya Bi-Ge iliyounganishwa kwa pamoja, na kuiunganisha na nyuzi hai ili kuunda upenyo wa mstari ulioshikana, na kufanya upana wa mstari wa kutoa leza kuwa chini ya kHz 1. Mnamo 2010, Yang et al. ilitumia tundu fupi la mstari fupi la sentimita 2 lililowekwa dope sana pamoja na kichujio cha ukanda mwembamba wa FBG kupata pato la leza ya modi ya longitudinal yenye upana wa chini ya 2 kHz. Mnamo mwaka wa 2014, timu ilitumia shimo fupi la mstari (kinasa sauti cha pete iliyokunjwa) pamoja na kichujio cha FBG-FP ili kupata pato la leza na upana wa mstari mwembamba, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 3. Mnamo 2012, Cai et al. ilitumia muundo wa cavity fupi wa 1.4cm kupata pato la laser ya polarizing na nguvu ya pato kubwa kuliko 114 mW, urefu wa kati wa 1540.3 nm, na upana wa mstari wa 4.1 kHz. Mnamo 2013, Meng et al. kutumika Brillouin kutawanya nyuzinyuzi erbium-doped na cavity pete fupi ya kifaa kamili kuhifadhi upendeleo kupata mode single-longitudinal, kelele awamu ya chini laser pato na pato la 10 mW. Mnamo mwaka wa 2015, timu ilitumia matundu ya pete yenye nyuzi 45 za erbium-doped kama njia ya kutawanya ya Brillouin ili kupata kizingiti cha chini na utoaji wa leza ya upana wa mstari.
Kielelezo 2 (a) Mchoro wa kimkakati wa laser ya nyuzi za SLC;
(b) Lineshape ya mawimbi ya heterodini iliyopimwa kwa kuchelewa kwa nyuzi 97.6 km
Muda wa kutuma: Nov-20-2023