Лазер эх үүсвэрийн технологишилэн кабелимэдрэхүйн нэгдүгээр хэсэг
Оптик шилэн мэдрэгч технологи нь оптик шилэн технологи болон оптик шилэн холбооны технологитой хамт хөгжсөн мэдрэгч технологийн нэг төрөл бөгөөд фотоэлектрик технологийн хамгийн идэвхтэй салбаруудын нэг болсон. Оптик шилэн мэдрэгч систем нь голчлон лазер, дамжуулах шилэн, мэдрэгч элемент буюу модуляцийн хэсэг, гэрэл илрүүлэх болон бусад хэсгээс бүрдэнэ. Гэрлийн долгионы шинж чанарыг тодорхойлсон параметрүүдэд эрчим, долгионы урт, фаз, туйлшралын төлөв гэх мэт орно. Эдгээр параметрүүдийг оптик шилэн дамжуулалтад гадны нөлөөллөөр өөрчилж болно. Жишээлбэл, температур, хүчдэл, даралт, гүйдэл, шилжилт, чичиргээ, эргэлт, нугалалт болон химийн хэмжээ нь оптик замд нөлөөлөх үед эдгээр параметрүүд нь харгалзах физик хэмжигдэхүүнийг илрүүлэхийн тулд эдгээр параметрүүд болон гадны хүчин зүйлсийн хоорондын хамаарал дээр суурилдаг. Оптик шилэн мэдрэгч нь харгалзах физик хэмжигдэхүүнийг илрүүлэхийн тулд эдгээр параметрүүд болон гадны хүчин зүйлсийн хоорондын хамаарал дээр суурилдаг.
Олон төрөл байдаглазерын эх үүсвэроптик шилэн мэдрэгч системд ашигладаг бөгөөд үүнийг хоёр ангилалд хувааж болно: уялдаа холбоотойлазерын эх үүсвэрүүдболон ойлгомжгүй гэрлийн эх үүсвэрүүд, ойлгомжгүйгэрлийн эх үүсвэрүүдголчлон улайсдаг гэрэл болон гэрэл ялгаруулах диодуудыг багтаасан бөгөөд когерент гэрлийн эх үүсвэрүүдэд хатуу лазер, шингэн лазер, хийн лазер,хагас дамжуулагч лазермөншилэн лазерДараах нь голчлон зориулагдсан болнолазер гэрлийн эх үүсвэрСүүлийн жилүүдэд шилэн кабелийн мэдрэгчийн салбарт өргөн хэрэглэгдэж буй: нарийн шугамын өргөнтэй нэг давтамжийн лазер, нэг долгионы урттай шүүрдэх давтамжийн лазер болон цагаан лазер.
1.1 Нарийн шугамын өргөний шаардлагалазер гэрлийн эх үүсвэрүүд
Оптик шилэн мэдрэгч системийг лазерын эх үүсвэрээс салгаж болохгүй, учир нь хэмжсэн дохионы тээвэрлэгч гэрлийн долгион, лазерын гэрлийн эх үүсвэрийн өөрийн гүйцэтгэл, тухайлбал цахилгаан тогтвортой байдал, лазерын шугамын өргөн, фазын шуугиан болон бусад параметрүүд нь оптик шилэн мэдрэгч системийн илрүүлэх зай, илрүүлэлтийн нарийвчлал, мэдрэмж, шуугианы шинж чанарууд нь шийдвэрлэх үүрэг гүйцэтгэдэг. Сүүлийн жилүүдэд алсын зайн хэт өндөр нягтралтай оптик шилэн мэдрэгч системийг хөгжүүлэхтэй холбогдуулан эрдэм шинжилгээний болон үйлдвэрлэлийн салбарууд лазерын жижигрүүлэлтийн шугамын өргөний гүйцэтгэлд илүү хатуу шаардлага тавьж байгаа бөгөөд голчлон: оптик давтамжийн домэйн тусгал (OFDR) технологи нь давтамжийн домэйн дэх оптик шилэн кабелийн арын цацрагийн тархсан дохиог шинжлэхэд когерент илрүүлэх технологийг ашигладаг бөгөөд өргөн хүрээтэй (мянган метр) хамрах хүрээтэй. Өндөр нягтрал (миллиметрийн түвшний нягтрал) болон өндөр мэдрэмж (-100 дБм хүртэл)-ийн давуу талууд нь тархсан оптик шилэн хэмжих, мэдрэх технологид өргөн хэрэглэгддэг технологийн нэг болсон. OFDR технологийн гол цөм нь оптик давтамжийн тохируулга хийхэд тохируулж болох гэрлийн эх үүсвэрийг ашиглах явдал тул лазерын эх үүсвэрийн гүйцэтгэл нь OFDR илрүүлэх хүрээ, мэдрэмж, нягтрал зэрэг гол хүчин зүйлсийг тодорхойлдог. Ойлтын цэгийн зай нь когерент урттай ойролцоо байх үед цохилтын дохионы эрчим нь τ/τc коэффициентоор экспоненциал байдлаар суларна. Спектрийн хэлбэртэй Гауссын гэрлийн эх үүсвэрийн хувьд цохилтын давтамж 90%-иас дээш харагдахуйц байхын тулд гэрлийн эх үүсвэрийн шугамын өргөн ба системийн хүрч чадах хамгийн их мэдрэх уртын хоорондын хамаарал нь Lmax~0.04vg/f бөгөөд энэ нь 80 км урттай шилэн кабелийн хувьд гэрлийн эх үүсвэрийн шугамын өргөн 100 Гц-ээс бага гэсэн үг юм. Үүнээс гадна бусад хэрэглээний хөгжил нь гэрлийн эх үүсвэрийн шугамын өргөний өндөр шаардлагыг тавьдаг. Жишээлбэл, оптик шилэн гидрофон системд гэрлийн эх үүсвэрийн шугамын өргөн нь системийн шуугианыг тодорхойлж, мөн системийн хамгийн бага хэмжигдэхүйц дохиог тодорхойлдог. Бриллюэн оптик цагийн домэйн тусгал (BOTDR)-д температур ба стрессийн хэмжилтийн нарийвчлалыг голчлон гэрлийн эх үүсвэрийн шугамын өргөнөөр тодорхойлдог. Резонаторын шилэн кабелийн гироскопт гэрлийн эх үүсвэрийн шугамын өргөнийг багасгах замаар гэрлийн долгионы когерент уртыг нэмэгдүүлж, улмаар резонаторын нарийн чанар болон резонансын гүнийг сайжруулж, резонаторын шугамын өргөнийг багасгаж, шилэн кабелийн гироскопын хэмжилтийн нарийвчлалыг баталгаажуулж болно.
1.2 Лазерын эх үүсвэрийн шаардлага
Нэг долгионы урттай шүүрдэх лазер нь уян хатан долгионы уртын тохируулгын гүйцэтгэлтэй, олон гаралтын тогтмол долгионы урттай лазерыг орлож, системийн барилгын зардлыг бууруулж чаддаг бөгөөд оптик шилэн мэдрэгч системийн зайлшгүй хэсэг юм. Жишээлбэл, ул мөр хийн шилэн мэдрэгчид янз бүрийн төрлийн хий нь өөр өөр хийн шингээлтийн оргилтой байдаг. Хэмжилтийн хий хангалттай байх үед гэрлийн шингээлтийн үр ашгийг хангах, хэмжилтийн өндөр мэдрэмжийг бий болгохын тулд дамжуулах гэрлийн эх үүсвэрийн долгионы уртыг хийн молекулын шингээлтийн оргилтой уялдуулах шаардлагатай. Илрүүлж болох хийн төрөл нь үндсэндээ мэдрэгч гэрлийн эх үүсвэрийн долгионы уртаар тодорхойлогддог. Тиймээс тогтвортой өргөн зурвасын тохируулгын гүйцэтгэлтэй нарийн шугамын өргөнтэй лазерууд ийм мэдрэгч системд илүү өндөр хэмжилтийн уян хатан чанартай байдаг. Жишээлбэл, оптик давтамжийн домэйн тусгал дээр суурилсан зарим тархсан оптик шилэн мэдрэгч системд оптик дохиог өндөр нарийвчлалтай когерент илрүүлэх, демодуляци хийх зорилгоор лазерыг үе үе хурдан шүүрдэх шаардлагатай байдаг тул лазерын эх үүсвэрийн модуляцийн хурд харьцангуй өндөр шаардлага тавьдаг бөгөөд тохируулж болох лазерын шүүрдэх хурд нь ихэвчлэн 10 pm/μs хүрэх шаардлагатай байдаг. Үүнээс гадна, долгионы уртыг тохируулж болох нарийн шугамын өргөнтэй лазерыг liDAR, лазерын алсын зайн мэдрэгч болон өндөр нарийвчлалтай спектрийн шинжилгээ болон бусад мэдрэгчийн салбарт өргөн ашиглаж болно. Шилэн кабелийн мэдрэгчийн салбарт нэг долгионы урттай лазерын тохируулгын зурвасын өргөн, тохируулгын нарийвчлал болон тохируулгын хурдны өндөр гүйцэтгэлийн параметрүүдийн шаардлагыг хангахын тулд сүүлийн жилүүдэд тохируулж болох нарийн өргөнтэй шилэн лазерыг судлах ерөнхий зорилго нь хэт нарийн лазерын шугамын өргөн, хэт бага фазын шуугиан, хэт тогтвортой гаралтын давтамж болон чадлыг эрэлхийлэх үндсэн дээр илүү том долгионы уртын хүрээнд өндөр нарийвчлалтай тохируулга хийх явдал юм.
1.3 Цагаан лазер гэрлийн эх үүсвэрийн эрэлт
Оптик мэдрэгчийн салбарт өндөр чанартай цагаан гэрлийн лазер нь системийн гүйцэтгэлийг сайжруулахад маш чухал ач холбогдолтой юм. Цагаан гэрлийн лазерын спектрийн хамрах хүрээ өргөн байх тусам оптик шилэн мэдрэгч системд хэрэглэх нь илүү өргөн хүрээтэй байдаг. Жишээлбэл, мэдрэгчийн сүлжээг байгуулахын тулд шилэн Брэгг тор (FBG) ашиглах үед демодуляцид спектрийн шинжилгээ эсвэл тохируулж болох шүүлтүүр тохируулах аргыг ашиглаж болно. Эхнийх нь сүлжээнд байгаа FBG резонансын долгионы урт бүрийг шууд шалгахын тулд спектрометр ашигласан. Сүүлийнх нь мэдрэгч дэх FBG-г хянах, тохируулахын тулд лавлах шүүлтүүр ашигладаг бөгөөд хоёулаа FBG-д туршилтын гэрлийн эх үүсвэр болгон өргөн зурвасын гэрлийн эх үүсвэр шаарддаг. FBG хандалтын сүлжээ бүр тодорхой оруулгын алдагдалтай бөгөөд 0.1 нм-ээс дээш зурвасын өргөнтэй тул олон FBG-г нэгэн зэрэг демодуляци хийхэд өндөр хүчин чадалтай, өндөр зурвасын өргөнтэй өргөн зурвасын гэрлийн эх үүсвэр шаардлагатай. Жишээлбэл, мэдрэгчид урт хугацааны шилэн тор (LPFG) ашиглах үед нэг алдагдлын оргилын зурвасын өргөн нь 10 нм орчим байдаг тул түүний резонансын оргилын шинж чанарыг нарийн тодорхойлохын тулд хангалттай зурвасын өргөн, харьцангуй хавтгай спектртэй өргөн спектрийн гэрлийн эх үүсвэр шаардлагатай. Ялангуяа акустик эффект ашиглан бүтээсэн акустик шилэн тор (AIFG) нь цахилгаан тохируулгын тусламжтайгаар 1000 нм хүртэлх резонансын долгионы урттай тохируулгын хүрээг бий болгож чаддаг. Тиймээс ийм хэт өргөн тохируулгын хүрээтэй динамик торны туршилт нь өргөн спектрийн гэрлийн эх үүсвэрийн зурвасын өргөний хүрээнд ихээхэн бэрхшээл учруулдаг. Үүнтэй адил сүүлийн жилүүдэд хазайсан Bragg шилэн торыг шилэн мэдрэгчийн салбарт өргөн ашиглаж байна. Олон оргил алдагдлын спектрийн шинж чанараас шалтгаалан долгионы уртын тархалтын хүрээ нь ихэвчлэн 40 нм хүрч чаддаг. Үүний мэдрэгч механизм нь ихэвчлэн олон дамжуулалтын оргилуудын хоорондох харьцангуй хөдөлгөөнийг харьцуулах явдал байдаг тул түүний дамжуулалтын спектрийг бүрэн хэмжих шаардлагатай байдаг. Өргөн спектрийн гэрлийн эх үүсвэрийн зурвасын өргөн болон чадал нь илүү өндөр байх шаардлагатай.
2. Дотоод болон гадаадад хийсэн судалгааны байдал
2.1 Нарийн шугамын өргөнтэй лазер гэрлийн эх үүсвэр
2.1.1 Нарийн шугамын өргөнтэй хагас дамжуулагч тархсан хариу урвалын лазер
2006 онд Кличе нар хагас дамжуулагчийн МГц-ийн масштабыг бууруулсан.DFB лазер(тархсан хариу урвалын лазер)-ийг цахилгаан хариу урвалын аргыг ашиглан кГц масштаб руу; 2011 онд Кесслер нар бага температур, өндөр тогтвортой байдлын дан талст хөндийг идэвхтэй хариу урвалын хяналттай хослуулан 40 МГц хэт нарийн шугамын өргөний лазер гаралтыг авсан; 2013 онд Пэн нар гадаад Фабри-Перо (FP) хариу урвалын тохируулгын аргыг ашиглан 15 кГц шугамын өргөнтэй хагас дамжуулагч лазер гаралтыг авсан. Цахилгаан хариу урвалын арга нь гэрлийн эх үүсвэрийн лазерын шугамын өргөнийг багасгахын тулд голчлон Понд-Древер-Холлын давтамжийн тогтворжуулалтын хариу урвалыг ашигласан. 2010 онд Бернхарди нар цахиурын исэл суурь дээр 1 см эрбиум хольцтой хөнгөн цагааны исэл FBG гаргаж, ойролцоогоор 1.7 кГц шугамын өргөнтэй лазер гаралтыг авсан. Мөн онд Лян нар... Зураг 1-т үзүүлсэн шиг хагас дамжуулагч лазерын шугамын өргөн шахалтын өндөр Q цуурай ханын резонатороор үүссэн Рэйлийн урвуу тархалтын өөрөө тархах хариу үйлдлийг ашигласан бөгөөд эцэст нь 160 Гц-ийн нарийн шугамын өргөн лазер гаралтыг олж авсан.
Зураг 1 (a) Гадаад шивнээний галерей горимын резонаторын өөрөө шахах Рэйли тархалтад суурилсан хагас дамжуулагч лазерын шугамын өргөний шахалтын диаграмм;
(b) 8 МГц-ийн шугамын өргөнтэй чөлөөт гүйлтийн хагас дамжуулагч лазерын давтамжийн спектр;
(в) Шугамын өргөнийг 160 Гц хүртэл шахсан лазерын давтамжийн спектр
2.1.2 Нарийн шугамын өргөнтэй шилэн лазер
Шугаман хөндий шилэн лазерын хувьд нэг уртрагийн горимын нарийн шугамын өргөний лазерын гаралтыг резонаторын уртыг богиносгож, уртрагийн горимын интервалыг нэмэгдүүлэх замаар олж авдаг. 2004 онд Шпигельберг нар DBR богино хөндийн аргыг ашиглан 2 кГц шугамын өргөнтэй нэг уртрагийн горимын нарийн шугамын өргөний лазерын гаралтыг олж авсан. 2007 онд Шен нар 2 см-ийн эрбиум агуулсан цахиурын шилэн ашиглан Bi-Ge хамтарсан гэрэл мэдрэмтгий шилэн дээр FBG бичиж, идэвхтэй шилэнтэй нэгтгэн нягт шугаман хөндий үүсгэснээр лазерын гаралтын шугамын өргөнийг 1 кГц-ээс бага болгосон. 2010 онд Ян нар 2 кГц-ээс бага шугамын өргөнтэй нэг уртрагийн горимын лазерын гаралтыг авахын тулд 2 см-ийн өндөр хольцтой богино шугаман хөндийг нарийн зурвасын FBG шүүлтүүртэй хослуулан ашигласан. 2014 онд баг нь Зураг 3-т үзүүлсэн шиг нарийн шугамын өргөнтэй лазер гаралтыг авахын тулд богино шугаман хөндий (виртуал эвхэгдсэн цагираг резонатор)-ийг FBG-FP шүүлтүүртэй хослуулан ашигласан. 2012 онд Кай нар 114 мВт-аас их гаралтын чадалтай, 1540.3 нм төвийн долгионы урттай, 4.1 кГц шугамын өргөнтэй туйлширсан лазер гаралтыг авахын тулд 1.4 см-ийн богино хөндийн бүтцийг ашигласан. 2013 онд Менг нар 10 мВт гаралтын чадалтай нэг уртын горимтой, бага фазын шуугиантай лазер гаралтыг авахын тулд бүрэн хазайлттай хадгалах төхөөрөмжийн богино цагираг хөндийтэй эрбиумтай шилэн кабелийн Бриллюин тархалтыг ашигласан. 2015 онд баг нь бага босго болон нарийн шугамын өргөнтэй лазер гаралтыг авахын тулд 45 см-ийн эрбиумтай шилэн кабелиас бүрдсэн цагираг хөндийг Бриллюин тархалтын олшруулалтын орчин болгон ашигласан.
Зураг 2 (a) SLC шилэн лазерын бүдүүвч зураг;
(b) 97.6 км шилэн кабелийн сааталаар хэмжсэн гетеродины дохионы шугамын хэлбэр
Нийтэлсэн цаг: 2023 оны 11-р сарын 20