Лазердик булак технологиясыоптикалык булаБиринчи бөлүк сезүү
Оптикалык була сенсордук технологиясы - оптикалык була технологиясы жана оптикалык була байланыш технологиясы менен бирге иштелип чыккан сенсордук технологиянын бир түрү жана ал фотоэлектрдик технологиянын эң активдүү тармактарынын бирине айланган. Оптикалык була сенсордук система негизинен лазерден, өткөргүч буладан, сезгич элементтен же модуляция аймагынан, жарыкты аныктоодон жана башка бөлүктөрдөн турат. Жарык толкунунун мүнөздөмөлөрүн сүрөттөгөн параметрлерге интенсивдүүлүк, толкун узундугу, фаза, поляризация абалы ж.б. кирет. Бул параметрлер оптикалык була өткөрүүдөгү тышкы таасирлер менен өзгөрүшү мүмкүн. Мисалы, температура, деформация, басым, ток, жылышуу, титирөө, айлануу, ийилүү жана химиялык сан оптикалык жолго таасир эткенде, бул параметрлер тиешелүү түрдө өзгөрөт. Оптикалык була сенсордук система тиешелүү физикалык чоңдуктарды аныктоо үчүн бул параметрлер менен тышкы факторлордун ортосундагы байланышка негизделген.
көптөгөн түрлөрү барлазер булагыоптикалык була сенсордук системаларда колдонулат, аларды эки категорияга бөлүүгө болот: когеренттүүлазер булактарыжана когеренттүү эмес жарык булактары, когеренттүү эмесжарык булактарынегизинен ысытуу лампаларын жана жарык чыгаруучу диоддорду камтыйт, ал эми когеренттүү жарык булактарына катуу лазерлер, суюк лазерлер, газ лазерлери кирет,жарым жарым лазержанабула лазерТөмөнкүлөр негизинен төмөнкүлөр үчүнлазердик жарык булагыакыркы жылдары була-сезүү тармагында кеңири колдонулган: кууш сызык туурасындагы бир жыштыктагы лазер, бир толкун узундугундагы шыпыруу жыштыктагы лазер жана ак лазер.
1.1 Тар сызык туурасына коюлган талаптарлазердик жарык булактары
Оптикалык була сенсордук системаны лазер булагынан бөлүүгө болбойт, анткени өлчөнгөн сигнал ташуучунун жарык толкуну, лазердик жарык булагынын өзүнүн иштеши, мисалы, кубаттуулуктун туруктуулугу, лазердик линиянын туурасы, фазалык ызы-чуу жана оптикалык була сенсордук системанын аныктоо аралыгы, аныктоонун тактыгы, сезгичтиги жана ызы-чуунун мүнөздөмөлөрү сыяктуу башка параметрлер чечүүчү ролду ойнойт. Акыркы жылдары алыскы аралыкка өтө жогорку чечилиштеги оптикалык була сенсордук системалардын өнүгүшү менен академиялык чөйрөлөр жана өнөр жай лазердик миниатюризациянын линиянын туурасынын иштешине, негизинен: оптикалык жыштык доменинин чагылдырылышы (OFDR) технологиясы жыштык домениндеги оптикалык булалардын арткы нурлуу чачыранды сигналдарын талдоо үчүн когеренттүү аныктоо технологиясын колдонот, кеңири камтуу менен (миңдеген метр). Жогорку чечилиш (миллиметр деңгээлиндеги чечилиш) жана жогорку сезгичтиктин (-100 дБмге чейин) артыкчылыктары бөлүштүрүлгөн оптикалык буланы өлчөө жана сезүү технологиясында кеңири колдонулуучу технологиялардын бири болуп калды. OFDR технологиясынын өзөгү оптикалык жыштыкты жөндөө үчүн жөнгө салынуучу жарык булагын колдонуу болуп саналат, ошондуктан лазер булагынын иштеши OFDR аныктоо диапазону, сезгичтиги жана чечилиши сыяктуу негизги факторлорду аныктайт. Чагылдыруу чекитинин аралыгы когеренттүүлүк узундугуна жакын болгондо, сокку сигналынын интенсивдүүлүгү τ/τc коэффициенти менен экспоненциалдуу түрдө басаңдайт. Спектрдик формадагы Гаусс жарык булагы үчүн, сокку жыштыгынын 90% дан ашык көрүнүүсүн камсыз кылуу үчүн, жарык булагынын сызык туурасы менен система жетише турган максималдуу сезүү узундугунун ортосундагы байланыш Lmax~0.04vg/f түзөт, бул узундугу 80 км болгон була үчүн жарык булагынын сызык туурасы 100 Гцтен аз дегенди билдирет. Мындан тышкары, башка колдонмолордун өнүгүшү да жарык булагынын сызык туурасына жогорку талаптарды койду. Мисалы, оптикалык була гидрофон системасында жарык булагынын сызык туурасы системанын ызы-чуусун аныктайт жана ошондой эле системанын минималдуу өлчөнө турган сигналын аныктайт. Бриллюэн оптикалык убакыт доменинин рефлекторунда (BOTDR) температуранын жана чыңалуунун өлчөө чечилиши негизинен жарык булагынын сызык туурасы менен аныкталат. Резонатордук була-оптикалык гироскопто жарык толкунунун когеренттүүлүк узундугун жарык булагынын сызык туурасын азайтуу менен көбөйтүүгө болот, ошону менен резонатордун тактыгын жана резонанстык тереңдигин жакшыртат, резонатордун сызык туурасын азайтат жана була-оптикалык гироскоптун өлчөө тактыгын камсыздайт.
1.2 Лазер булактарына коюлган талаптар
Бир толкун узундугундагы шыпыруучу лазер ийкемдүү толкун узундугун жөндөө мүмкүнчүлүгүнө ээ, бир нече чыгуучу туруктуу толкун узундугундагы лазерлерди алмаштыра алат, системаны куруу баасын төмөндөтөт, оптикалык була сезүү системасынын ажырагыс бөлүгү болуп саналат. Мисалы, издик газ була сезүүсүндө ар кандай газдардын газды сиңирүү чокулары ар кандай болот. Өлчөөчү газ жетиштүү болгондо жарыкты сиңирүү натыйжалуулугун камсыз кылуу жана жогорку өлчөө сезгичтигине жетүү үчүн, өткөрүүчү жарык булагынын толкун узундугун газ молекуласынын сиңирүү чокулары менен шайкеш келтирүү керек. Аныктоого боло турган газдын түрү негизинен сезүүчү жарык булагынын толкун узундугу менен аныкталат. Ошондуктан, туруктуу кең тилкелүү тюнинг аткаруусу бар тар сызык туурасындагы лазерлер мындай сезүү системаларында жогорку өлчөө ийкемдүүлүгүнө ээ. Мисалы, оптикалык жыштык доменинин чагылдырылышына негизделген кээ бир бөлүштүрүлгөн оптикалык була сезүү системаларында, оптикалык сигналдарды жогорку тактыктагы когеренттүү аныктоого жана демодуляциялоого жетүү үчүн лазерди мезгил-мезгили менен тез шыпырып туруу керек, ошондуктан лазер булагынын модуляция ылдамдыгы салыштырмалуу жогорку талаптарга ээ жана жөнгө салынуучу лазердин шыпыруу ылдамдыгы адатта 10 пм/мкс жетүү үчүн талап кылынат. Мындан тышкары, толкун узундугун тууралоочу тар сызык туурасындагы лазерди liDAR, лазердик алыстан зонддоо жана жогорку чечилиштеги спектрдик анализ жана башка сезүү тармактарында кеңири колдонсо болот. Була сезүү тармагында бир толкун узундугундагы лазерлердин жөндөө өткөрүү жөндөмдүүлүгүнүн, жөндөөнүн тактыгынын жана жөндөө ылдамдыгынын жогорку көрсөткүчтөрүнүн талаптарын канааттандыруу үчүн, акыркы жылдары жөндөлүүчү тар туурасындагы була лазерлерин изилдөөнүн жалпы максаты - өтө кууш лазердик сызык туурасын, өтө төмөн фазалык ызы-чууну жана өтө туруктуу чыгуу жыштыгын жана кубаттуулугун издөөнүн негизинде чоңураак толкун узундугу диапазонунда жогорку тактыктагы жөндөөгө жетишүү.
1.3 Ак лазердик жарык булагына болгон суроо-талап
Оптикалык сезүү тармагында жогорку сапаттагы ак жарык лазери системанын иштешин жакшыртуу үчүн чоң мааниге ээ. Ак жарык лазеринин спектрдик камтуусу канчалык кең болсо, анын оптикалык була сезүү системасында колдонулушу ошончолук кеңири. Мисалы, сенсордук тармакты куруу үчүн була Брэгг торчосун (FBG) колдонгондо, демодуляция үчүн спектрдик анализ же жөндөлүүчү чыпканы дал келтирүү ыкмасы колдонулушу мүмкүн. Биринчисинде тармактагы ар бир FBG резонанстык толкун узундугун түздөн-түз текшерүү үчүн спектрометр колдонулган. Экинчисинде сенсордогу FBGди көзөмөлдөө жана калибрлөө үчүн эталондук чыпка колдонулат, экөө тең FBG үчүн сыноо жарык булагы катары кең тилкелүү жарык булагын талап кылат. Ар бир FBG кирүү тармагында белгилүү бир киргизүү жоготуусу болгондуктан жана өткөрүү жөндөмдүүлүгү 0,1 нмден ашык болгондуктан, бир нече FBGди бир убакта демодуляциялоо үчүн жогорку кубаттуулуктагы жана жогорку өткөрүү жөндөмдүүлүгүнө ээ кең тилкелүү жарык булагын талап кылат. Мисалы, сезүү үчүн узак мезгилдүү була торчосун (УПТ) колдонууда, бир жоготуу чокусунун өткөрүү жөндөмдүүлүгү 10 нмдин тегерегинде болгондуктан, анын резонанстык чоку мүнөздөмөлөрүн так мүнөздөө үчүн жетиштүү өткөрүү жөндөмдүүлүгүнө жана салыштырмалуу жалпак спектрге ээ кең спектрлүү жарык булагы талап кылынат. Атап айтканда, акустикалык-оптикалык эффектти колдонуу менен курулган акустикалык була торчосун (АЖТ) электрдик тюнинг аркылуу 1000 нмге чейинки резонанстык толкун узундугун тюнинг диапазонуна жетише алат. Ошондуктан, мындай өтө кең тюнинг диапазону менен динамикалык торчолорду сыноо кеңири спектрлүү жарык булагынын өткөрүү жөндөмдүүлүгү диапазонуна чоң кыйынчылык жаратат. Ошо сыяктуу эле, акыркы жылдары була сезүү тармагында жантайыңкы Брэгг була торчосун да кеңири колдонууда. Көп чокулуу жоготуу спектринин мүнөздөмөлөрүнөн улам, толкун узундугунун бөлүштүрүү диапазону адатта 40 нмге жетиши мүмкүн. Анын сезүү механизми, адатта, бир нече өткөрүү чокуларынын ортосундагы салыштырмалуу кыймылды салыштыруу болуп саналат, андыктан анын өткөрүү спектрин толугу менен өлчөө керек. Кең спектрлүү жарык булагынын өткөрүү жөндөмдүүлүгү жана кубаттуулугу жогору болушу керек.
2. Үйдө жана чет өлкөлөрдө изилдөөнүн абалы
2.1 Ичке сызыктуу лазердик жарык булагы
2.1.1 Тар сызыктуу жарым өткөргүчтүү бөлүштүрүлгөн кайтарым байланыш лазери
2006-жылы Клиш жана башкалар жарым өткөргүчтөрдүн МГц масштабын кыскартышкан.DFB лазери(таратылган кайтарым байланыш лазери) электрдик кайтарым байланыш ыкмасын колдонуу менен кГц масштабына чейин; 2011-жылы Кесслер жана башкалар 40 МГц өтө кууш сызык туурасындагы лазердик чыгууну алуу үчүн активдүү кайтарым байланыш башкаруусу менен айкалышкан төмөн температурадагы жана жогорку туруктуулуктагы бир кристаллдык көңдөйдү колдонушкан; 2013-жылы Пен жана башкалар тышкы Фабри-Перо (FP) кайтарым байланышын жөндөө ыкмасын колдонуу менен сызык туурасы 15 кГц болгон жарым өткөргүч лазердик чыгууну алышкан. Электрдик кайтарым байланыш ыкмасы негизинен жарык булагынын лазердик сызык туурасын азайтуу үчүн Понд-Древер-Холл жыштыгын турукташтыруу кайтарым байланышын колдонгон. 2010-жылы Бернхарди жана башкалар болжол менен 1,7 кГц сызык туурасындагы лазердик чыгууну алуу үчүн кремний кычкылынын негизине 1 см эрбий менен кошулган глинозем FBG өндүрүшкөн. Ошол эле жылы Лян жана башкалар... 1-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, жарым өткөргүч лазердин сызык туурасындагы кысуусу үчүн жогорку Q жаңырык дубал резонатору тарабынан түзүлгөн тескери Рейли чачырашынын өзүн-өзү сайуу кайтарым байланышын колдонуп, акырында 160 Гц сызык туурасындагы лазердик чыгарууну алган.
1-сүрөт (а) Тышкы шыбыроо галереясынын режиминдеги резонатордун өзүн-өзү инъекциялоочу Рейли чачырашына негизделген жарым өткөргүч лазердин сызык кеңдигин кысуу схемасы;
(b) 8 МГц сызык туурасындагы эркин иштеген жарым өткөргүч лазердин жыштык спектри;
(c) Сызык туурасы 160 Гц чейин кысылган лазердин жыштык спектри
2.1.2 Ичке сызыктуу була лазери
Сызыктуу көңдөй була лазерлери үчүн бир узунунан кеткен режимдин тар сызык туурасындагы лазер чыгышы резонатордун узундугун кыскартуу жана узунунан кеткен режим аралыгын көбөйтүү аркылуу алынат. 2004-жылы Шпигельберг ж.б. DBR кыска көңдөй ыкмасын колдонуу менен 2 кГц сызык туурасы менен бир узунунан кеткен режимдеги тар сызык туурасындагы лазер чыгышын алышкан. 2007-жылы Шен ж.б. Bi-Ge биргелешип кошулган фотосезгич булага FBG жазуу үчүн 2 см эрбий менен легирленген кремний буласын колдонуп, аны активдүү була менен бириктирип, компакттуу сызыктуу көңдөйдү түзүшкөн, анын лазер чыгыш линиясынын туурасын 1 кГцтен аз кылышкан. 2010-жылы Ян ж.б. 2 кГцтен аз сызык туурасы менен бир узунунан кеткен режимдеги лазер чыгышын алуу үчүн 2 см жогорку легирленген кыска сызыктуу көңдөйдү тар тилкелүү FBG чыпкасы менен айкалыштырган. 2014-жылы команда 3-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, сызык туурасы кууш лазердик чыгышты алуу үчүн FBG-FP чыпкасы менен айкалышкан кыска сызыктуу көңдөйдү (виртуалдык бүктөлгөн шакекче резонатор) колдонгон. 2012-жылы Цай жана башкалар 114 мВттан жогору чыгуу кубаттуулугу, 1540,3 нм борбордук толкун узундугу жана сызык туурасы 4,1 кГц болгон поляризациялоочу лазердик чыгышты алуу үчүн 1,4 см кыска көңдөй түзүлүшүн колдонушкан. 2013-жылы Менг жана башкалар 10 мВт чыгуу кубаттуулугу менен бир узунунан кеткен режимдеги, төмөнкү фазалуу ызы-чуу лазердик чыгышты алуу үчүн толук кыйшайган сактоочу түзүлүштүн кыска шакекче көңдөйү менен эрбий менен кошулган буланын Бриллюэн чачырашын колдонушкан. 2015-жылы команда төмөнкү босого жана тар сызык туурасы лазердик чыгышты алуу үчүн Бриллюэн чачырашынын күчөтүү чөйрөсү катары 45 см эрбий менен кошулган буладан турган шакекче көңдөйүн колдонгон.
2-сүрөт (а) SLC була лазеринин схемалык чиймеси;
(b) 97,6 км була кечигүүсү менен өлчөнгөн гетеродин сигналынын сызык формасы
Жарыяланган убактысы: 20-ноябрь, 2023-жыл