فناوری منبع لیزر برای حسگر فیبر نوری - بخش اول

فناوری منبع لیزر برایفیبر نوریسنجش بخش اول

فناوری حسگر فیبر نوری نوعی فناوری حسگر است که همراه با فناوری فیبر نوری و فناوری ارتباطات فیبر نوری توسعه یافته و به یکی از فعال‌ترین شاخه‌های فناوری فوتوالکتریک تبدیل شده است. سیستم حسگر فیبر نوری عمدتاً از لیزر، فیبر انتقال، عنصر حسگر یا ناحیه مدولاسیون، تشخیص نور و سایر قسمت‌ها تشکیل شده است. پارامترهایی که ویژگی‌های موج نور را توصیف می‌کنند شامل شدت، طول موج، فاز، حالت قطبش و غیره هستند. این پارامترها ممکن است تحت تأثیر عوامل خارجی در انتقال فیبر نوری تغییر کنند. به عنوان مثال، هنگامی که دما، کرنش، فشار، جریان، جابجایی، ارتعاش، چرخش، خم شدن و مقدار شیمیایی بر مسیر نوری تأثیر می‌گذارند، این پارامترها به طور متناسب تغییر می‌کنند. حسگر فیبر نوری بر اساس رابطه بین این پارامترها و عوامل خارجی برای تشخیص کمیت‌های فیزیکی مربوطه عمل می‌کند.

انواع زیادی وجود داردمنبع لیزردر سیستم‌های حسگر فیبر نوری استفاده می‌شود که می‌توان آنها را به دو دسته تقسیم کرد: همدوسمنابع لیزرو منابع نوری ناهمدوس، ناهمدوسمنابع نورعمدتاً شامل نور رشته‌ای و دیودهای ساطع‌کننده نور هستند و منابع نور همدوس شامل لیزرهای جامد، لیزرهای مایع، لیزرهای گازی،لیزر نیمه هادیولیزر فیبرموارد زیر عمدتاً برایمنبع نور لیزردر سال‌های اخیر به طور گسترده در زمینه حسگری فیبر استفاده شده است: لیزر تک فرکانس با پهنای خط باریک، لیزر فرکانس روبشی تک طول موج و لیزر سفید.

۱.۱ الزامات پهنای خط باریکمنابع نور لیزر

سیستم حسگر فیبر نوری را نمی‌توان از منبع لیزر جدا کرد، زیرا موج نور حامل سیگنال اندازه‌گیری شده، عملکرد خود منبع نور لیزر، مانند پایداری توان، پهنای خط لیزر، نویز فاز و سایر پارامترها در سیستم حسگر فیبر نوری، فاصله تشخیص، دقت تشخیص، حساسیت و ویژگی‌های نویز نقش تعیین‌کننده‌ای دارند. در سال‌های اخیر، با توسعه سیستم‌های حسگر فیبر نوری با وضوح فوق‌العاده بالا در فواصل دور، دانشگاه‌ها و صنعت الزامات سختگیرانه‌تری را برای عملکرد پهنای خط کوچک‌سازی لیزر مطرح کرده‌اند، عمدتاً در: فناوری بازتاب دامنه فرکانس نوری (OFDR) که از فناوری تشخیص منسجم برای تجزیه و تحلیل سیگنال‌های پراکنده شده در فیبرهای نوری در حوزه فرکانس با پوشش وسیع (هزاران متر) استفاده می‌کند. مزایای وضوح بالا (وضوح در سطح میلی‌متر) و حساسیت بالا (تا -100 dBm) به یکی از فناوری‌هایی با چشم‌انداز کاربرد گسترده در فناوری اندازه‌گیری و حسگر 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، حساسیت و وضوح OFDR را تعیین می‌کند. وقتی فاصله نقطه بازتاب نزدیک به طول همدوسی باشد، شدت سیگنال ضربان به صورت نمایی با ضریب τ/τc تضعیف می‌شود. برای یک منبع نور گاوسی با شکل طیفی، برای اطمینان از اینکه فرکانس ضربان بیش از 90٪ قابلیت مشاهده دارد، رابطه بین پهنای خط منبع نور و حداکثر طول حسگری که سیستم می‌تواند به آن دست یابد، Lmax~0.04vg/f است، به این معنی که برای فیبری با طول 80 کیلومتر، پهنای خط منبع نور کمتر از 100 هرتز است. علاوه بر این، توسعه سایر کاربردها نیز الزامات بالاتری را برای پهنای خط منبع نور مطرح می‌کند. به عنوان مثال، در سیستم هیدروفون فیبر نوری، پهنای خط منبع نور، نویز سیستم را تعیین می‌کند و همچنین حداقل سیگنال قابل اندازه‌گیری سیستم را تعیین می‌کند. در بازتابنده حوزه زمان نوری بریلوئن (BOTDR)، وضوح اندازه‌گیری دما و تنش عمدتاً توسط پهنای خط منبع نور تعیین می‌شود. در یک ژیروسکوپ فیبر نوری تشدیدگر، می‌توان با کاهش عرض خط منبع نور، طول همدوسی موج نور را افزایش داد و در نتیجه، ظرافت و عمق رزونانس تشدیدگر را بهبود بخشید، عرض خط تشدیدگر را کاهش داد و دقت اندازه‌گیری ژیروسکوپ فیبر نوری را تضمین کرد.

۱.۲ الزامات مربوط به منابع لیزر جاروب کننده

لیزر روبشی تک طول موج، عملکرد تنظیم طول موج انعطاف‌پذیری دارد، می‌تواند جایگزین لیزرهای با طول موج ثابت خروجی چندگانه شود، هزینه ساخت سیستم را کاهش دهد و بخش ضروری سیستم حسگر فیبر نوری است. به عنوان مثال، در حسگری فیبری گاز ردیابی، انواع مختلف گازها دارای پیک‌های جذب گاز متفاوتی هستند. برای اطمینان از راندمان جذب نور در زمانی که گاز اندازه‌گیری کافی است و دستیابی به حساسیت اندازه‌گیری بالاتر، لازم است طول موج منبع نور عبوری با پیک جذب مولکول گاز همسو شود. نوع گازی که می‌تواند تشخیص داده شود اساساً توسط طول موج منبع نور حسگر تعیین می‌شود. بنابراین، لیزرهای با پهنای خط باریک با عملکرد تنظیم پهنای باند پایدار، انعطاف‌پذیری اندازه‌گیری بالاتری در چنین سیستم‌های حسگری دارند. به عنوان مثال، در برخی از سیستم‌های حسگر فیبر نوری توزیع‌شده مبتنی بر بازتاب دامنه فرکانس نوری، لیزر باید به صورت دوره‌ای به سرعت جارو شود تا به تشخیص منسجم با دقت بالا و دمدولاسیون سیگنال‌های نوری دست یابد، بنابراین نرخ مدولاسیون منبع لیزر الزامات نسبتاً بالایی دارد و سرعت جاروب لیزر قابل تنظیم معمولاً باید به 10 pm/μs برسد. علاوه بر این، لیزر با پهنای خط باریک قابل تنظیم طول موج همچنین می‌تواند به طور گسترده در لیدار، سنجش از دور لیزری و تجزیه و تحلیل طیفی با وضوح بالا و سایر زمینه‌های سنجش مورد استفاده قرار گیرد. به منظور برآورده کردن الزامات پارامترهای عملکرد بالای تنظیم پهنای باند، دقت تنظیم و سرعت تنظیم لیزرهای تک طول موج در زمینه سنجش فیبر، هدف کلی مطالعه لیزرهای فیبری با پهنای باریک قابل تنظیم در سال‌های اخیر، دستیابی به تنظیم با دقت بالا در محدوده طول موج بزرگتر بر اساس دنبال کردن پهنای خط لیزر فوق باریک، نویز فاز فوق کم و فرکانس و توان خروجی فوق پایدار است.

۱.۳ تقاضا برای منبع نور لیزر سفید

در زمینه حسگری نوری، لیزر نور سفید با کیفیت بالا برای بهبود عملکرد سیستم از اهمیت بالایی برخوردار است. هرچه پوشش طیفی لیزر نور سفید گسترده‌تر باشد، کاربرد آن در سیستم حسگری فیبر نوری گسترده‌تر است. به عنوان مثال، هنگام استفاده از توری براگ فیبری (FBG) برای ساخت یک شبکه حسگر، می‌توان از آنالیز طیفی یا روش تطبیق فیلتر قابل تنظیم برای دمدولاسیون استفاده کرد. روش اول از یک طیف‌سنج برای آزمایش مستقیم هر طول موج رزونانس FBG در شبکه استفاده می‌کرد. روش دوم از یک فیلتر مرجع برای ردیابی و کالیبراسیون FBG در حسگری استفاده می‌کند که هر دو به یک منبع نور پهن باند به عنوان منبع نور آزمایشی برای FBG نیاز دارند. از آنجا که هر شبکه دسترسی FBG دارای تلفات درج خاصی خواهد بود و پهنای باند آن بیش از 0.1 نانومتر است، دمدولاسیون همزمان چندین FBG به یک منبع نور پهن باند با توان و پهنای باند بالا نیاز دارد. برای مثال، هنگام استفاده از توری فیبری با دوره تناوب طولانی (LPFG) برای حسگری، از آنجایی که پهنای باند یک پیک تلفات منفرد در حدود 10 نانومتر است، یک منبع نور طیف گسترده با پهنای باند کافی و طیف نسبتاً مسطح برای توصیف دقیق ویژگی‌های پیک رزونانس آن مورد نیاز است. به طور خاص، توری فیبر صوتی (AIFG) که با استفاده از اثر آکوستیک-اپتیکی ساخته شده است، می‌تواند با استفاده از تنظیم الکتریکی به محدوده تنظیم طول موج رزونانس تا 1000 نانومتر دست یابد. بنابراین، آزمایش توری دینامیکی با چنین محدوده تنظیم فوق‌العاده وسیعی، چالش بزرگی را برای محدوده پهنای باند یک منبع نور طیف گسترده ایجاد می‌کند. به طور مشابه، در سال‌های اخیر، توری فیبر براگ کج نیز به طور گسترده در زمینه حسگری فیبر مورد استفاده قرار گرفته است. به دلیل ویژگی‌های طیف تلفات چند پیکی آن، محدوده توزیع طول موج معمولاً می‌تواند به 40 نانومتر برسد. مکانیسم حسگری آن معمولاً مقایسه حرکت نسبی بین چندین پیک انتقال است، بنابراین لازم است طیف انتقال آن به طور کامل اندازه‌گیری شود. پهنای باند و توان منبع نور طیف گسترده باید بالاتر باشد.

۲. وضعیت تحقیقات در داخل و خارج از کشور

۲.۱ منبع نور لیزر با پهنای خط باریک

۲.۱.۱ لیزر فیدبک توزیع‌شده نیمه‌هادی با پهنای خط باریک

در سال ۲۰۰۶، کلیشه و همکارانش مقیاس مگاهرتز نیمه‌هادی را کاهش دادند.لیزر DFB(لیزر بازخورد توزیع‌شده) به مقیاس کیلوهرتز با استفاده از روش بازخورد الکتریکی؛ در سال ۲۰۱۱، کسلر و همکارانش از حفره تک کریستالی با دمای پایین و پایداری بالا همراه با کنترل بازخورد فعال برای دستیابی به خروجی لیزر با پهنای خط بسیار باریک ۴۰ مگاهرتز استفاده کردند؛ در سال ۲۰۱۳، پنگ و همکارانش با استفاده از روش تنظیم بازخورد خارجی فابری-پرو (FP) یک خروجی لیزر نیمه‌هادی با پهنای خط ۱۵ کیلوهرتز به دست آوردند. روش بازخورد الکتریکی عمدتاً از بازخورد تثبیت فرکانس پوند-درور-هال برای کاهش پهنای خط لیزر منبع نور استفاده کرد. در سال ۲۰۱۰، برنهاردی و همکارانش ۱ سانتی‌متر مربع از FBG آلومینای آلاییده شده با اربیوم را روی یک زیرلایه اکسید سیلیکون تولید کردند تا خروجی لیزری با پهنای خط حدود ۱.۷ کیلوهرتز به دست آورند. در همان سال، لیانگ و همکارانش... از بازخورد خودتزریقی پراکندگی رایلی رو به عقب که توسط یک تشدیدگر دیوار پژواک با Q بالا برای فشرده‌سازی پهنای خط لیزر نیمه‌هادی، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، استفاده کرد و در نهایت یک خروجی لیزر با پهنای خط باریک 160 هرتز به دست آورد.

شکل 1 (الف) نمودار فشرده‌سازی پهنای خط لیزر نیمه‌هادی بر اساس پراکندگی ریلی خودتزریقی تشدیدگر حالت گالری نجواگونه خارجی؛
(ب) طیف فرکانسی لیزر نیمه‌هادی آزاد با پهنای خط ۸ مگاهرتز؛
(ج) طیف فرکانسی لیزر با پهنای خط فشرده شده تا ۱۶۰ هرتز
۲.۱.۲ لیزر فیبری با پهنای خط باریک

برای لیزرهای فیبری با حفره خطی، خروجی لیزر با پهنای خط باریک از حالت طولی منفرد با کوتاه کردن طول تشدیدگر و افزایش بازه حالت طولی به دست می‌آید. در سال ۲۰۰۴، اشپیگلبرگ و همکارانش با استفاده از روش حفره کوتاه DBR، یک خروجی لیزر با پهنای خط باریک با حالت طولی منفرد با پهنای خط ۲ کیلوهرتز به دست آوردند. در سال ۲۰۰۷، شن و همکارانش از یک فیبر سیلیکونی ۲ سانتی‌متری آلاییده شده با اربیم زیاد برای نوشتن FBG روی یک فیبر حساس به نور آلاییده شده با Bi-Ge استفاده کردند و آن را با یک فیبر فعال ترکیب کردند تا یک حفره خطی فشرده تشکیل دهند و پهنای خط خروجی لیزر آن را کمتر از ۱ کیلوهرتز کنند. در سال ۲۰۱۰، یانگ و همکارانش از یک حفره خطی کوتاه با آلاییده شدن زیاد ۲ سانتی‌متری همراه با یک فیلتر FBG باند باریک برای به دست آوردن یک خروجی لیزر با پهنای خط کمتر از ۲ کیلوهرتز استفاده کردند. در سال ۲۰۱۴، این تیم از یک کاواک خطی کوتاه (تشدیدگر حلقه تاخورده مجازی) همراه با یک فیلتر FBG-FP برای دستیابی به خروجی لیزری با پهنای خط باریک‌تر، همانطور که در شکل ۳ نشان داده شده است، استفاده کرد. در سال ۲۰۱۲، کای و همکارانش از یک ساختار کاواک کوتاه ۱.۴ سانتی‌متری برای دستیابی به خروجی لیزر قطبش‌دهنده با توان خروجی بیشتر از ۱۱۴ میلی‌وات، طول موج مرکزی ۱۵۴۰.۳ نانومتر و پهنای خط ۴.۱ کیلوهرتز استفاده کردند. در سال ۲۰۱۳، منگ و همکارانش از پراکندگی بریلوئن فیبر آلاییده شده با اربیوم با یک کاواک حلقه‌ای کوتاه از یک دستگاه نگهدارنده بایاس کامل برای دستیابی به خروجی لیزر تک مد طولی، نویز فاز پایین با توان خروجی ۱۰ میلی‌وات استفاده کردند. در سال ۲۰۱۵، این تیم از یک کاواک حلقه‌ای متشکل از فیبر آلاییده شده با اربیوم ۴۵ سانتی‌متری به عنوان محیط بهره پراکندگی بریلوئن برای دستیابی به خروجی لیزر با آستانه پایین و پهنای خط باریک استفاده کردند.

شکل 2 (الف) طرح شماتیک لیزر فیبری SLC؛
(ب) شکل خط سیگنال هتروداین اندازه‌گیری شده با تأخیر فیبر ۹۷.۶ کیلومتر