فناوری منبع لیزر برای حسگر فیبر نوری قسمت اول

فناوری منبع لیزر برایفیبر نوریحس کردن قسمت اول

فناوری سنجش فیبر نوری نوعی فناوری حسگر است که همراه با فناوری فیبر نوری و فناوری ارتباطات فیبر نوری توسعه یافته و به یکی از فعال ترین شاخه های فناوری فوتوالکتریک تبدیل شده است. سیستم سنجش فیبر نوری عمدتاً از لیزر، فیبر انتقال، عنصر حسگر یا ناحیه مدولاسیون، تشخیص نور و سایر قطعات تشکیل شده است. پارامترهای توصیف کننده ویژگی های موج نور شامل شدت، طول موج، فاز، حالت پلاریزاسیون و غیره است. این پارامترها ممکن است توسط تأثیرات خارجی در انتقال فیبر نوری تغییر کنند. به عنوان مثال، هنگامی که دما، کرنش، فشار، جریان، جابجایی، ارتعاش، چرخش، خمش و کمیت شیمیایی بر مسیر نوری تأثیر می‌گذارند، این پارامترها به ترتیب تغییر می‌کنند. سنجش فیبر نوری بر اساس رابطه بین این پارامترها و عوامل خارجی برای تشخیص مقادیر فیزیکی مربوطه است.

انواع زیادی وجود داردمنبع لیزردر سیستم های سنجش فیبر نوری استفاده می شود که به دو دسته منسجم تقسیم می شوندمنابع لیزریو منابع نوری نامنسجم، نامنسجممنابع نورعمدتاً شامل نور رشته ای و دیودهای ساطع کننده نور و منابع نور منسجم شامل لیزرهای جامد، لیزرهای مایع، لیزرهای گازی،لیزر نیمه هادیولیزر فیبر. موارد زیر عمدتاً برایمنبع نور لیزربه طور گسترده ای در زمینه سنجش فیبر در سال های اخیر استفاده می شود: لیزر تک فرکانس با عرض خط باریک، لیزر فرکانس جابجایی تک طول موج و لیزر سفید.

1.1 الزامات برای عرض خط باریکمنابع نور لیزر

سیستم سنجش فیبر نوری را نمی توان از منبع لیزر جدا کرد، زیرا امواج نور حامل سیگنال اندازه گیری شده، عملکرد خود منبع نور لیزر، مانند پایداری قدرت، پهنای خط لیزر، نویز فاز و سایر پارامترهای روی فاصله تشخیص سیستم سنجش فیبر نوری، تشخیص ویژگی های دقت، حساسیت و نویز نقش تعیین کننده ای دارند. در سال‌های اخیر، با توسعه سیستم‌های حسگر فیبر نوری با وضوح بسیار بالا در مسافت‌های طولانی، دانشگاه‌ها و صنعت الزامات سخت‌گیرانه‌تری را برای عملکرد پهنای خط کوچک‌سازی لیزر مطرح کرده‌اند، که عمدتاً در موارد زیر است: فناوری بازتاب دامنه فرکانس نوری (OFDR) از منسجم استفاده می‌کند. فناوری تشخیص برای تجزیه و تحلیل سیگنال‌های پراکنده پشتی فیبرهای نوری در حوزه فرکانس، با پوشش وسیع (هزاران متر). مزایای وضوح بالا (رزولوشن در سطح میلی متر) و حساسیت بالا (تا -100 dBm) به یکی از فناوری هایی با چشم انداز کاربردی گسترده در فناوری اندازه گیری و سنجش فیبر نوری توزیع شده تبدیل شده است. هسته فناوری OFDR استفاده از منبع نور قابل تنظیم برای دستیابی به تنظیم فرکانس نوری است، بنابراین عملکرد منبع لیزر عوامل کلیدی مانند محدوده تشخیص OFDR، حساسیت و وضوح را تعیین می کند. هنگامی که فاصله نقطه انعکاس نزدیک به طول انسجام باشد، شدت سیگنال ضربان به طور تصاعدی توسط ضریب τ/τc کاهش می‌یابد. برای یک منبع نور گاوسی با شکل طیفی، به منظور اطمینان از اینکه فرکانس ضربان بیش از 90٪ دید دارد، رابطه بین عرض خط منبع نور و حداکثر طول سنجشی که سیستم می تواند به دست آورد Lmax~0.04vg است. /f، یعنی برای فیبر با طول 80 کیلومتر، عرض خط منبع نور کمتر از 100 هرتز است. علاوه بر این، توسعه برنامه های کاربردی دیگر نیز الزامات بیشتری را برای پهنای خط منبع نور مطرح می کند. به عنوان مثال، در سیستم هیدروفون فیبر نوری، پهنای خط منبع نور، نویز سیستم را تعیین می کند و همچنین حداقل سیگنال قابل اندازه گیری سیستم را تعیین می کند. در بازتابنده دامنه زمان نوری بریلوین (BOTDR)، وضوح اندازه گیری دما و تنش عمدتاً توسط پهنای خط منبع نور تعیین می شود. در ژیروسکوپ فیبر نوری تشدید کننده، طول پیوستگی موج نور را می توان با کاهش عرض خط منبع نور افزایش داد، در نتیجه ظرافت و عمق تشدید تشدید کننده را بهبود داد، عرض خط تشدید کننده را کاهش داد و اندازه گیری را تضمین کرد. دقت ژیروسکوپ فیبر نوری

1.2 الزامات برای منابع لیزر رفت و برگشت

لیزر جارو با طول موج تک دارای عملکرد تنظیم طول موج انعطاف پذیر است، می تواند لیزرهای طول موج ثابت چند خروجی را جایگزین کند، هزینه ساخت سیستم را کاهش دهد، بخشی ضروری از سیستم سنجش فیبر نوری است. به عنوان مثال، در سنجش فیبر گازی، انواع مختلف گازها پیک های جذب گاز متفاوتی دارند. به منظور حصول اطمینان از راندمان جذب نور در زمانی که گاز اندازه گیری کافی است و به حساسیت اندازه گیری بالاتری دست می یابد، لازم است طول موج منبع نور انتقالی با پیک جذب مولکول گاز هماهنگ شود. نوع گازی که قابل تشخیص است اساساً با طول موج منبع نور حسگر تعیین می شود. بنابراین، لیزرهای با پهنای خط باریک با عملکرد تنظیم پهنای باند پایدار، انعطاف پذیری اندازه گیری بالاتری در چنین سیستم های سنجشی دارند. به عنوان مثال، در برخی از سیستم های سنجش فیبر نوری توزیع شده بر اساس بازتاب دامنه فرکانس نوری، لیزر باید به سرعت به صورت دوره ای جارو شود تا به تشخیص منسجم و دمودولاسیون سیگنال های نوری با دقت بالا دست یابد، بنابراین نرخ مدولاسیون منبع لیزر نیازمند نیازهای نسبتاً بالایی است. و سرعت جاروب لیزر قابل تنظیم معمولاً برای رسیدن به 10 pm/μs لازم است. علاوه بر این، لیزر پهن خط باریک قابل تنظیم با طول موج نیز می تواند به طور گسترده در liDAR، سنجش از دور لیزری و تجزیه و تحلیل طیفی با وضوح بالا و سایر زمینه های سنجش استفاده شود. به منظور برآورده ساختن الزامات پارامترهای عملکرد بالای پهنای باند تنظیم، دقت تنظیم و سرعت تنظیم لیزرهای تک طول موج در زمینه سنجش فیبر، هدف کلی مطالعه لیزرهای فیبر پهن باریک قابل تنظیم در سال‌های اخیر دستیابی به سطوح بالا است. تنظیم دقیق در محدوده طول موج بزرگتر بر اساس دنبال کردن پهنای خط لیزر بسیار باریک، نویز فاز بسیار کم و فرکانس و توان خروجی فوق العاده پایدار.

1.3 تقاضا برای منبع نور لیزر سفید

در زمینه سنجش نوری، لیزر نور سفید با کیفیت بالا برای بهبود عملکرد سیستم اهمیت زیادی دارد. هرچه پوشش لیزر نور سفید گسترده تر باشد، کاربرد آن در سیستم سنجش فیبر نوری گسترده تر است. به عنوان مثال، هنگام استفاده از گریتینگ فیبر براگ (FBG) برای ساخت یک شبکه حسگر، تحلیل طیفی یا روش تطبیق فیلتر قابل تنظیم می‌تواند برای دمدولاسیون استفاده شود. اولی از یک طیف سنج برای آزمایش مستقیم هر طول موج تشدید FBG در شبکه استفاده کرد. دومی از یک فیلتر مرجع برای ردیابی و کالیبره کردن FBG در حسگر استفاده می کند، که هر دو به یک منبع نور پهن باند به عنوان منبع نور آزمایشی برای FBG نیاز دارند. از آنجایی که هر شبکه دسترسی FBG دارای تلفات درج معینی است و پهنای باندی بیش از 0.1 نانومتر دارد، دمدولاسیون همزمان چند FBG به منبع نور باند پهن با توان بالا و پهنای باند بالا نیاز دارد. به عنوان مثال، هنگام استفاده از گریتینگ فیبر طولانی مدت (LPFG) برای سنجش، از آنجایی که پهنای باند یک پیک تلفات منفرد در حدود 10 نانومتر است، برای مشخص کردن دقیق رزونانس آن، به یک منبع نور با طیف وسیع با پهنای باند کافی و طیف نسبتاً مسطح نیاز است. ویژگی های اوج به طور خاص، توری فیبر صوتی (AIFG) ساخته شده با استفاده از اثر آکوستو-اپتیکال می‌تواند با استفاده از تنظیم الکتریکی به محدوده تنظیم طول موج تشدید تا 1000 نانومتر دست یابد. بنابراین، آزمایش گریتینگ پویا با چنین محدوده تنظیم فوق گسترده، چالش بزرگی را برای محدوده پهنای باند منبع نور با طیف گسترده ایجاد می کند. به طور مشابه، در سال های اخیر، گریتینگ فیبر براگ کج شده نیز به طور گسترده در زمینه سنجش فیبر استفاده شده است. با توجه به ویژگی های طیف تلفات چند پیک آن، محدوده توزیع طول موج معمولاً می تواند به 40 نانومتر برسد. مکانیسم سنجش آن معمولاً برای مقایسه حرکت نسبی بین پیک های انتقال متعدد است، بنابراین لازم است طیف انتقال آن به طور کامل اندازه گیری شود. پهنای باند و قدرت منبع نور طیف گسترده باید بیشتر باشد.

2. وضعیت تحقیق در داخل و خارج از کشور

2.1 منبع نور لیزری با پهنای خط باریک

2.1.1 لیزر بازخورد توزیع شده نیمه هادی با پهنای خط باریک

در سال 2006، کلیشه و همکاران. مقیاس مگاهرتز نیمه هادی را کاهش دادلیزر DFB(لیزر بازخورد توزیع شده) به مقیاس کیلوهرتز با استفاده از روش بازخورد الکتریکی. در سال 2011، کسلر و همکاران. استفاده از حفره تک کریستالی با دمای پایین و پایداری بالا همراه با کنترل بازخورد فعال برای به دست آوردن خروجی لیزر با پهنای خط فوق العاده باریک 40 مگاهرتز. در سال 2013، پنگ و همکاران با استفاده از روش تنظیم بازخورد خارجی Fabry-Pero (FP) یک خروجی لیزر نیمه هادی با پهنای خط 15 کیلوهرتز به دست آوردند. روش بازخورد الکتریکی عمدتاً از بازخورد تثبیت فرکانس Pond-Drever-Hall برای کاهش عرض خط لیزر منبع نور استفاده می کند. در سال 2010، برنهاردی و همکاران. 1 سانتی متر از آلومینا FBG دوپ شده با اربیوم را بر روی یک بستر اکسید سیلیکون تولید کرد تا یک خروجی لیزر با عرض خط حدود 1.7 کیلوهرتز به دست آورد. در همان سال، لیانگ و همکاران. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، از بازخورد خود تزریقی پراکندگی رایلی به عقب که توسط یک تشدید کننده دیوار اکو با کیفیت Q بالا برای فشرده سازی پهنای خط لیزری نیمه هادی تشکیل شده است، استفاده کرد و در نهایت یک خروجی لیزر با عرض خط باریک 160 هرتز به دست آورد.

شکل 1 (الف) نمودار فشرده سازی پهنای خط لیزر نیمه هادی بر اساس پراکندگی رایلی خود تزریقی تشدید کننده حالت گالری پچ پچ خارجی.
ب) طیف فرکانس لیزر نیمه هادی آزاد با پهنای خط 8 مگاهرتز.
(ج) طیف فرکانس لیزر با پهنای خط فشرده شده تا 160 هرتز
2.1.2 لیزر فیبر پهن خط باریک

برای لیزرهای فیبر حفره خطی، خروجی لیزر با عرض خط باریک حالت تک طولی با کوتاه کردن طول تشدید کننده و افزایش فاصله حالت طولی به دست می‌آید. در سال 2004، اشپیگلبرگ و همکاران. با استفاده از روش حفره کوتاه DBR، یک خروجی لیزر با عرض خط باریک حالت طولی با پهنای خط 2 کیلوهرتز به دست آورد. در سال 2007، شن و همکاران. از یک فیبر سیلیکونی دوپ شده با اربیوم 2 سانتی متری برای نوشتن FBG روی فیبر حساس به نور با دوپ مشترک Bi-Ge استفاده کرد و آن را با یک فیبر فعال ترکیب کرد تا یک حفره خطی فشرده تشکیل دهد و عرض خط خروجی لیزر آن کمتر از 1 کیلوهرتز باشد. در سال 2010، یانگ و همکاران. از یک حفره خطی کوتاه 2 سانتی متری بسیار دوپ شده همراه با یک فیلتر FBG باند باریک برای به دست آوردن یک خروجی لیزر تک حالت طولی با عرض خط کمتر از 2 کیلوهرتز استفاده کرد. در سال 2014، تیم از یک حفره خطی کوتاه (رزوناتور حلقه تا شده مجازی) ترکیب شده با یک فیلتر FBG-FP برای به دست آوردن یک خروجی لیزر با عرض خط باریکتر، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، استفاده کرد. در سال 2012، Cai و همکاران. از یک ساختار حفره کوتاه 1.4 سانتی متری برای به دست آوردن یک خروجی لیزر پلاریزه با توان خروجی بیشتر از 114 مگاوات، طول موج مرکزی 1540.3 نانومتر و عرض خط 4.1 کیلوهرتز استفاده کرد. در سال 2013، منگ و همکاران. از پراکندگی بریلوین فیبر دوپ شده با اربیوم با یک حفره حلقه کوتاه از یک دستگاه حفظ بایاس کامل برای به دست آوردن خروجی لیزر تک طولی و نویز فاز پایین با توان خروجی 10 مگاوات استفاده کرد. در سال 2015، این تیم از یک حفره حلقه متشکل از فیبر 45 سانتی‌متری دوپ شده با اربیوم به عنوان محیط افزایش پراکندگی بریلوین برای به دست آوردن خروجی لیزر آستانه کم و پهنای خط باریک استفاده کرد.

شکل 2 (الف) ترسیم شماتیک لیزر فیبر SLC.
(ب) شکل خط سیگنال هترودین با تاخیر فیبر 97.6 کیلومتر اندازه گیری شده است.