Лазерын эх үүсвэрийн технологиоптик шилэнНэгдүгээр хэсгийг мэдрэх
Оптик шилэн мэдрэгч технологи нь оптик шилэн технологи, оптик шилэн холбооны технологитой хамт хөгжсөн нэг төрлийн мэдрэгч технологи бөгөөд фотоэлектрик технологийн хамгийн идэвхтэй салбаруудын нэг болжээ.Оптик шилэн мэдрэгч систем нь голчлон лазер, дамжуулах утас, мэдрэгч элемент эсвэл модуляцын талбай, гэрлийн мэдрэгч болон бусад хэсгүүдээс бүрдэнэ.Гэрлийн долгионы шинж чанарыг тодорхойлсон үзүүлэлтүүд нь эрчим, долгионы урт, фаз, туйлшралын төлөв гэх мэт орно. Эдгээр үзүүлэлтүүд нь шилэн кабелийн дамжуулалтад гадны нөлөөллөөр өөрчлөгдөж болно.Жишээлбэл, температур, ачаалал, даралт, гүйдэл, шилжилт хөдөлгөөн, чичиргээ, эргэлт, гулзайлтын болон химийн хэмжигдэхүүн зэрэг нь оптик замд нөлөөлөх үед эдгээр үзүүлэлтүүд зохих ёсоор өөрчлөгддөг.Оптик шилэн мэдрэгч нь эдгээр параметрүүд болон гадаад хүчин зүйлсийн хоорондын хамаарал дээр тулгуурлан харгалзах физик хэмжигдэхүүнийг илрүүлдэг.
Маш олон төрөл байдаглазерын эх үүсвэрОптик шилэн мэдрэгч системд ашиглагддаг бөгөөд үүнийг хоёр ангилалд хувааж болно: уялдаатайлазерын эх үүсвэрүүдболон уялдаа холбоогүй гэрлийн эх үүсвэрүүд, уялдаа холбоогүйгэрлийн эх үүсвэрүүдголчлон улайсдаг гэрлийн болон гэрэл ялгаруулах диодууд, уялдаатай гэрлийн эх үүсвэрүүдэд хатуу лазер, шингэн лазер, хийн лазер,хагас дамжуулагч лазерболоншилэн лазер.Дараах нь голчлон зориулагдсанлазер гэрлийн эх үүсвэрСүүлийн жилүүдэд шилэн мэдрэгчийн салбарт өргөн хэрэглэгддэг: нарийн шугамын өргөнтэй нэг давтамжийн лазер, нэг долгионы урттай давтамжийн лазер, цагаан лазер.
1.1 Нарийн шугамын өргөнд тавигдах шаардлагалазер гэрлийн эх үүсвэрүүд
Оптик шилэн мэдрэгч системийг лазерын эх үүсвэрээс салгах боломжгүй, учир нь хэмжсэн дохио зөөгч гэрлийн долгион, лазерын гэрлийн эх үүсвэр өөрөө гүйцэтгэл, тухайлбал эрчим хүчний тогтвортой байдал, лазерын шугамын өргөн, фазын дуу чимээ болон бусад үзүүлэлтүүд дээр оптик шилэн мэдрэгч системийг илрүүлэх зай, илрүүлэх нарийвчлал, мэдрэмж, дуу чимээний шинж чанар нь шийдвэрлэх үүрэг гүйцэтгэдэг.Сүүлийн жилүүдэд хэт өндөр нарийвчлалтай холын зайн шилэн кабелийн мэдрэгч системийг хөгжүүлснээр академи болон үйлдвэрлэл лазерын жижигрүүлгийн шугамын өргөн гүйцэтгэлд илүү хатуу шаардлага тавьж, голчлон: оптик давтамжийн домэйн тусгал (OFDR) технологи нь уялдаа холбоог ашигладаг. Өргөн хүрээг хамарсан (мянган метр) давтамжийн муж дахь оптик утаснуудын тархсан дохиог шинжлэх илрүүлэх технологи.Өндөр нарийвчлалтай (миллиметрийн түвшний нарийвчлал) болон өндөр мэдрэмжтэй (-100 дБм хүртэл) давуу тал нь тархсан оптик шилэн хэмжилт, мэдрэгч технологид өргөн хэрэглээний хэтийн төлөвтэй технологийн нэг болжээ.OFDR технологийн цөм нь оптик давтамжийг тааруулахын тулд тохируулж болох гэрлийн эх үүсвэрийг ашиглах явдал тул лазерын эх үүсвэрийн гүйцэтгэл нь OFDR илрүүлэх хүрээ, мэдрэмж, нягтрал зэрэг гол хүчин зүйлсийг тодорхойлдог.Тусгалын цэгийн зай нь когерентийн урттай ойролцоо байх үед цохилтын дохионы эрчмийг τ/τc коэффициентээр экспоненциалаар сулруулна.Спектрийн хэлбэртэй Гауссын гэрлийн эх үүсвэрийн хувьд цохилтын давтамж нь 90% -иас дээш харагдахуйц байхын тулд гэрлийн эх үүсвэрийн шугамын өргөн ба системийн мэдрэх хамгийн их уртын хоорондын хамаарал нь Lmax~0.04vg байна. /f, энэ нь 80 км урттай утаснуудын хувьд гэрлийн эх үүсвэрийн шугамын өргөн нь 100 Гц-ээс бага байна гэсэн үг юм.Нэмж дурдахад бусад програмуудыг хөгжүүлэх нь гэрлийн эх үүсвэрийн шугамын өргөнд илүү өндөр шаардлагыг тавьдаг.Жишээлбэл, оптик шилэн гидрофон системд гэрлийн эх үүсвэрийн шугамын өргөн нь системийн дуу чимээг тодорхойлохоос гадна системийн хамгийн бага хэмжигдэх дохиог тодорхойлдог.Brillouin оптик хугацааны домэйн тусгал (BOTDR) дээр температур ба стрессийн хэмжилтийн нарийвчлалыг голчлон гэрлийн эх үүсвэрийн шугамын өргөнөөр тодорхойлдог.Резонаторын шилэн кабельд гэрлийн эх үүсвэрийн шугамын өргөнийг багасгах замаар гэрлийн долгионы когерентийн уртыг нэмэгдүүлэх боломжтой бөгөөд ингэснээр резонаторын нарийн болон резонансын гүнийг сайжруулж, резонаторын шугамын өргөнийг багасгаж, хэмжилтийг баталгаажуулна. шилэн кабелийн гиросын нарийвчлал.
1.2 Лазерын эх үүсвэрт тавигдах шаардлага
Нэг долгионы урттай лазер нь уян хатан долгионы уртыг тааруулах чадвартай, олон гаралтын тогтмол долгионы урттай лазерыг орлож, системийн барилгын зардлыг бууруулж, шилэн кабелийн мэдрэгч системийн зайлшгүй хэсэг юм.Жишээлбэл, ул мөрийн хийн шилэн мэдрэгч дээр янз бүрийн төрлийн хий нь өөр өөр хий шингээх оргилтой байдаг.Хэмжилтийн хий хангалттай байх үед гэрлийн шингээлтийн үр ашгийг хангах, хэмжилтийн өндөр мэдрэмжинд хүрэхийн тулд дамжуулах гэрлийн эх үүсвэрийн долгионы уртыг хийн молекулын шингээлтийн оргилтой тохируулах шаардлагатай.Илрүүлж болох хийн төрөл нь мэдрэгчтэй гэрлийн эх үүсвэрийн долгионы уртаар үндсэндээ тодорхойлогддог.Иймд өргөн зурвасын тааруулах тогтвортой ажиллагаатай нарийн шугамын өргөн лазерууд нь ийм мэдрэгч системд хэмжилтийн уян хатан чанар сайтай байдаг.Жишээлбэл, оптик давтамжийн хүрээний тусгал дээр суурилсан зарим тархсан шилэн кабелийн мэдрэгч системд оптик дохиог өндөр нарийвчлалтай уялдаатай илрүүлж, демодуляц хийхэд хүрэхийн тулд лазерыг үе үе хурдан шүүрдэх шаардлагатай байдаг тул лазерын эх үүсвэрийн модуляцын хурд харьцангуй өндөр байдаг. , мөн тохируулж болох лазерын шүүрдэх хурд нь ихэвчлэн 10 pm/μs хүрэх шаардлагатай байдаг.Нэмж дурдахад долгионы уртыг тохируулах боломжтой нарийн шугамын өргөнтэй лазерыг liDAR, лазерын зайнаас тандан судлах, өндөр нарийвчлалтай спектрийн шинжилгээ болон бусад мэдрэгчтэй талбарт өргөн ашиглаж болно.Шилэн мэдрэхүйн салбарт нэг долгионы лазерын тааруулах зурвасын өргөн, тааруулах нарийвчлал, тааруулах хурд зэрэг өндөр үзүүлэлттэй байх шаардлагыг хангахын тулд сүүлийн жилүүдэд тааруулж болох нарийн өргөн шилэн лазерыг судлах ерөнхий зорилго нь өндөр хурдтай байх явдал юм. Хэт нарийн лазерын шугамын өргөн, хэт бага фазын дуу чимээ, хэт тогтвортой гаралтын давтамж, хүчийг эрэлхийлэх үндсэн дээр илүү том долгионы урттай нарийвчлалтай тааруулах.
1.3 Цагаан лазер гэрлийн эх үүсвэрийн эрэлт
Оптик мэдрэхүйн салбарт өндөр чанарын цагаан гэрлийн лазер нь системийн ажиллагааг сайжруулахад чухал ач холбогдолтой юм.Цагаан гэрлийн лазерын хүрээ өргөн байх тусам шилэн кабелийн мэдрэгч системд өргөн хэрэглэгдэх болно.Жишээлбэл, мэдрэгчийн сүлжээг бий болгоход шилэн Bragg тор (FBG) ашиглах үед демодуляцын хувьд спектрийн шинжилгээ эсвэл тохируулж болох шүүлтүүрийн аргыг ашиглаж болно.Эхнийх нь сүлжээн дэх FBG резонансын долгионы урт бүрийг шууд шалгахын тулд спектрометрийг ашигласан.Сүүлийнх нь мэдрэгч дэх FBG-ийг хянах, тохируулахын тулд лавлагаа шүүлтүүрийг ашигладаг бөгөөд хоёуланд нь FBG-ийн туршилтын гэрлийн эх үүсвэр болгон өргөн зурвасын гэрлийн эх үүсвэр шаардлагатай.FBG хандалтын сүлжээ бүр тодорхой оруулах алдагдалтай байх бөгөөд 0.1 нм-ээс их зурвасын өргөнтэй байх тул олон FBG-ийн нэгэн зэрэг демодуляци нь өндөр хүч чадал, өндөр зурвасын өргөнтэй өргөн зурвасын гэрлийн эх үүсвэрийг шаарддаг.Жишээлбэл, мэдрэхийн тулд урт хугацааны шилэн тор (LPFG) ашиглах үед нэг алдагдлын оргилын зурвасын өргөн нь 10 нм-ийн дараалалтай байдаг тул түүний резонансын шинж чанарыг нарийн тодорхойлохын тулд хангалттай зурвасын өргөн, харьцангуй тэгш спектр бүхий өргөн хүрээний гэрлийн эх үүсвэр шаардлагатай. оргил шинж чанарууд.Ялангуяа акусто-оптик эффект ашиглан бүтээгдсэн акустик шилэн тор (AIFG) нь цахилгаан тохируулгын тусламжтайгаар резонансын долгионы уртыг 1000 нм хүртэл тохируулах боломжтой.Тиймээс ийм хэт өргөн хүрээний тааруулах хүрээ бүхий динамик сараалжтай туршилт хийх нь өргөн хүрээний гэрлийн эх үүсвэрийн зурвасын өргөний мужид ихээхэн бэрхшээл учруулдаг.Үүний нэгэн адил сүүлийн жилүүдэд налуу Bragg шилэн торыг шилэн мэдрэхүйд өргөнөөр ашиглаж байна.Олон оргил алдагдлын спектрийн шинж чанараас шалтгаалан долгионы уртын тархалтын хүрээ нь ихэвчлэн 40 нм хүрдэг.Түүний мэдрэх механизм нь ихэвчлэн олон дамжуулалтын оргилуудын хоорондох харьцангуй хөдөлгөөнийг харьцуулах явдал байдаг тул түүний дамжуулалтын спектрийг бүрэн хэмжих шаардлагатай байдаг.Өргөн хүрээний гэрлийн эх үүсвэрийн зурвасын өргөн ба хүч нь илүү өндөр байх шаардлагатай.
2. Дотоод болон гадаадад судалгааны байдал
2.1 Нарийн шугамын өргөнтэй лазер гэрлийн эх үүсвэр
2.1.1 Нарийн шугамын өргөнтэй хагас дамжуулагч тархсан санал хүсэлтийн лазер
2006 онд Cliche et al.хагас дамжуулагчийн MHz хуваарийг багасгасанDFB лазер(тараагдсан санал хүсэлт лазер ) цахилгаан эргэх аргыг ашиглан kHz хуваарь;2011 онд Kessler et al.40 МГц-ийн хэт нарийн шугамын өргөнтэй лазерын гаралтыг авахын тулд бага температур, өндөр тогтвортой нэг болор хөндийг идэвхтэй санал хүсэлтийн удирдлагатай хослуулсан;2013 онд Пэн нар гадаад Fabry-Perot (FP) санал хүсэлтийн тохируулгын аргыг ашиглан 15 кГц шугамын өргөнтэй хагас дамжуулагч лазерын гаралтыг олж авсан.Цахилгааны санал хүсэлтийн арга нь гэрлийн эх үүсвэрийн лазер шугамын өргөнийг багасгахын тулд Pond-Drever-Hall давтамж тогтворжуулах санал хүсэлтийг голчлон ашигласан.2010 онд Бернхарди нар.Цахиурын ислийн субстрат дээр 1 см-ийн эрби агуулсан хөнгөн цагааны исэл FBG үйлдвэрлэж, 1.7 кГц шугамын өргөнтэй лазерын гаралтыг гаргаж авсан.Мөн онд Лиан нар.1-р зурагт үзүүлсэн шиг хагас дамжуулагч лазерын шугамын өргөнийг шахахад зориулж өндөр Q-цуурай хананы резонатороор үүсгэсэн арын Рэйлигийн тархалтын өөрөө шахах санал хүсэлтийг ашигласан ба эцэст нь 160 Гц-ийн нарийн шугамын өргөнтэй лазер гаралтыг олж авсан.
Зураг 1 (а) Гадны шивнэх галерей горимын резонаторын өөрөө шахах Рэйлигийн сарнилтад суурилсан хагас дамжуулагч лазерын шугамын өргөн шахалтын диаграмм;
(б) 8 МГц-ийн шугамын өргөнтэй чөлөөт ажиллаж байгаа хагас дамжуулагч лазерын давтамжийн спектр;
(в) 160 Гц хүртэл шахагдсан шугамын өргөнтэй лазерын давтамжийн спектр
2.1.2 Нарийн шугамын өргөн шилэн лазер
Шугаман хөндийн шилэн лазерын хувьд резонаторын уртыг богиносгож, уртааш горимын интервалыг нэмэгдүүлэх замаар нэг тууш горимын нарийн шугамын өргөнтэй лазерын гаралтыг олж авдаг.2004 онд Spiegelberg et al.нь DBR богино хөндийн аргыг ашиглан 2 кГц-ийн шугамын өргөнтэй нэг тууш горимын нарийн шугамын лазер гаралтыг олж авсан.2007 онд Shen et al.нь 2 см-ийн их хэмжээгээр эрби агуулсан цахиурын утас ашиглан Bi-Ge-ийн хамтарсан гэрэл мэдрэмтгий шилэн дээр FBG бичиж, түүнийг идэвхтэй утастай хольж нягт шугаман хөндий үүсгэснээр лазерын гаралтын шугамын өргөнийг 1 кГц-ээс бага болгосон.2010 онд Yang et al.нь 2 см-ийн өндөр хольцтой богино шугаман хөндийг нарийн зурвасын FBG шүүлтүүртэй хослуулан 2 кГц-ээс бага шугамын өргөнтэй нэг тууш горимын лазер гаралтыг авахын тулд ашигласан.2014 онд баг нь богино шугаман хөндий (виртуал атираат цагирагны резонатор)-ыг FBG-FP шүүлтүүртэй хослуулан ашиглан илүү нарийхан шугамын өргөнтэй лазер гаралтыг Зураг 3-т үзүүлэв. 2012 онд Cai et al.114 мВт-аас их гаралтын чадалтай, 1540.3 нм төвийн долгионы урттай, 4.1 кГц шугамын өргөнтэй туйлширсан лазерын гаралтыг авахын тулд 1.4 см-ийн богино хөндий бүтцийг ашигласан.2013 онд Мэн нар.10 мВт-ын гаралтын чадалтай нэг уртын горим, дуу чимээ багатай лазерын гаралтыг авахын тулд бүрэн хэвийсэн хадгалалтын төхөөрөмжийн богино цагирагийн хөндий бүхий эрбиний хольцтой эслэгийг Brillouin-ээр цацсан.2015 онд баг нь 45 см-ийн эрбиний хольцтой утаснаас бүрдсэн цагирагны хөндийг Brillouin-ийн тархалтын өсөлтийн орчин болгон ашиглаж, бага босго, нарийн шугамын өргөнтэй лазер гаралтыг олж авсан.
Зураг 2 (a) SLC шилэн лазерын бүдүүвч зураг;
(б) 97.6 км шилэн хоцролтоор хэмжсэн гетеродин дохионы шугамын хэлбэр
Шуудангийн цаг: 2023 оны 11-р сарын 20-ны хооронд