Технологияи манбаи лазерӣ бароинахи оптикӣҳискунӣ Қисми якум
Технологияи сенсории нахи оптикӣ як навъ технологияи сенсорӣ аст, ки дар баробари технологияи нахи оптикӣ ва технологияи алоқаи нахи оптикӣ таҳия шудааст ва он ба яке аз шохаҳои фаъолтарини технологияи фотоэлектрикӣ табдил ёфтааст. Системаи сенсории нахи оптикӣ асосан аз лазер, нахи интиқол, унсури сенсорӣ ё минтақаи модулятсия, ошкоркунии рӯшноӣ ва дигар қисмҳо иборат аст. Параметрҳое, ки хусусиятҳои мавҷи рӯшноиро тавсиф мекунанд, шиддат, дарозии мавҷ, фаза, ҳолати поляризатсия ва ғайраро дар бар мегиранд. Ин параметрҳо метавонанд аз ҷониби таъсири беруна дар интиқоли нахи оптикӣ тағйир дода шаванд. Масалан, вақте ки ҳарорат, шиддат, фишор, ҷараён, ҷойивазкунӣ, ларзиш, гардиш, хамшавӣ ва миқдори кимиёвӣ ба масири оптикӣ таъсир мерасонанд, ин параметрҳо мутаносибан тағйир меёбанд. Сенсории нахи оптикӣ ба муносибати байни ин параметрҳо ва омилҳои беруна барои муайян кардани миқдори физикии мувофиқ асос ёфтааст.
Намудҳои зиёде мавҷудандманбаи лазерӣдар системаҳои сенсории нахи оптикӣ истифода мешавад, ки онҳоро ба ду категория тақсим кардан мумкин аст: когерентӣманбаъҳои лазерӣва манбаъҳои нури номунтазам, номунтазамманбаъҳои рӯшноӣасосан нури тафсон ва диодҳои нурафканро дар бар мегиранд ва манбаъҳои рӯшноии когерентӣ лазерҳои сахт, лазерҳои моеъ, лазерҳои газӣ валазери нимноқилвалазери нахӣ. Дар зер асосан бароиманбаи нури лазерӣдар солҳои охир дар соҳаи сенсории нах васеъ истифода мешаванд: лазери якбасомади паҳнои хатти танг, лазери басомади якмавҷӣ ва лазери сафед.
1.1 Талабот барои паҳнои хатти тангманбаъҳои нури лазерӣ
Системаи сенсории нахи оптикиро аз манбаи лазер ҷудо кардан мумкин нест, зеро мавҷи нури интиқолдиҳандаи сигнали ченшуда, кори худи манбаи нури лазер, ба монанди устувории қувва, паҳнои хатти лазер, садои фаза ва дигар параметрҳо дар бораи масофаи ошкоркунии системаи сенсории нахи оптикӣ, дақиқии ошкоркунӣ, ҳассосият ва хусусиятҳои садо нақши ҳалкунанда доранд. Дар солҳои охир, бо рушди системаҳои сенсории нахи оптикии масофаи дур бо қарори ултра баланд, олимон ва саноат барои иҷрои хатти миниатюризатсияи лазерӣ талаботи сахттарро пешниҳод карданд, асосан дар: технологияи инъикоси домени басомади оптикӣ (OFDR) аз технологияи ошкоркунии когерентӣ барои таҳлили сигналҳои парокандаи нури ақиб дар домени басомад истифода мебарад, ки фарогирии васеъ (ҳазорҳо метр) дорад. Бартариҳои қарори баланд (қарори сатҳи миллиметр) ва ҳассосияти баланд (то -100 dBm) яке аз технологияҳое мебошанд, ки дар технологияи андозагирӣ ва сенсории нахи оптикии тақсимшуда имкониятҳои васеъ доранд. Асоси технологияи OFDR истифодаи манбаи нури танзимшаванда барои ноил шудан ба танзими басомади оптикӣ мебошад, аз ин рӯ, кори манбаи лазер омилҳои калидӣ, аз қабили диапазони ошкоркунии OFDR, ҳассосият ва қарорро муайян мекунад. Вақте ки масофаи нуқтаи инъикос ба дарозии когерентӣ наздик аст, шиддати сигнали зарба аз ҷониби коэффитсиенти τ/τc ба таври экспоненсиалӣ суст мешавад. Барои манбаи рӯшноии Гаусс бо шакли спектрӣ, барои он ки басомади зарба беш аз 90% намоён бошад, робитаи байни паҳнои хатти манбаи рӯшноӣ ва дарозии максималии ҳассос, ки система метавонад ба он ноил шавад, Lmax~0.04vg/f аст, ки маънои онро дорад, ки барои нахи оптикӣ бо дарозии 80 км, паҳнои хатти манбаи рӯшноӣ камтар аз 100 Гц аст. Илова бар ин, таҳияи дигар барномаҳо низ талаботи баландтарро барои паҳнои хатти манбаи рӯшноӣ пешниҳод мекунанд. Масалан, дар системаи гидрофонии нахи оптикӣ, паҳнои хатти манбаи рӯшноӣ садои системаро муайян мекунад ва инчунин сигнали ҳадди ақали ченшавандаи системаро муайян мекунад. Дар инъикоскунандаи домени вақти оптикии Бриллюэн (BOTDR), қарори ченкунии ҳарорат ва шиддат асосан аз ҷониби паҳнои хатти манбаи рӯшноӣ муайян карда мешавад. Дар гироскопи нахи оптикии резонаторӣ, дарозии когерентии мавҷи рӯшноиро метавон тавассути кам кардани паҳнои хатти манбаи рӯшноӣ зиёд кард, ки бо ин васила нозукӣ ва умқи резонансии резонаторро беҳтар мекунад, паҳнои хатти резонаторро кам мекунад ва дақиқии ченкунии гироскопи нахи оптикиро таъмин менамояд.
1.2 Талабот барои манбаъҳои лазерии тозакунанда
Лазери яклухти мавҷ дорои қобилияти танзими чандири мавҷ аст, метавонад лазерҳои мавҷи собити баромади сершуморро иваз кунад, арзиши сохтмони системаро кам кунад ва қисми ҷудонашавандаи системаи сенсории нахи оптикӣ мебошад. Масалан, дар сенсории нахи гази микроэлементӣ, намудҳои гуногуни газҳо қуллаҳои гуногуни ҷабби газ доранд. Барои таъмини самаранокии ҷабби нур ҳангоми кофӣ будани гази ченкунӣ ва ба даст овардани ҳассосияти баланди ченкунӣ, зарур аст, ки дарозии мавҷи манбаи нури интиқол бо қуллаи ҷабби молекулаи газ мувофиқ карда шавад. Навъи газе, ки ошкор карда мешавад, асосан аз рӯи дарозии мавҷи манбаи нури сенсорӣ муайян карда мешавад. Аз ин рӯ, лазерҳои паҳнои танг бо иҷрои устувори танзими паҳнои банд дар чунин системаҳои сенсорӣ чандирии баланди ченкунӣ доранд. Масалан, дар баъзе системаҳои сенсории нахи оптикии тақсимшуда, ки ба инъикоси домени басомади оптикӣ асос ёфтаанд, лазер бояд зуд давра ба давра ҷаббида шавад, то муайянкунии когерентии дақиқ ва демодулятсияи сигналҳои оптикиро ба даст орад, аз ин рӯ суръати модулятсияи манбаи лазер талаботи нисбатан баланд дорад ва суръати ҷабби лазери танзимшаванда одатан барои расидан ба 10 pm/μs лозим аст. Илова бар ин, лазери танг ва паҳнои мавҷро, ки танзимшавандаи он дар liDAR, зондкунии дурдасти лазерӣ ва таҳлили спектралии баландсифат ва дигар соҳаҳои ҳассоскунӣ ба таври васеъ истифода бурдан мумкин аст. Барои қонеъ кардани талаботи параметрҳои баланди иҷрои танзими паҳнои банд, дақиқии танзим ва суръати танзими лазерҳои якдавра дар соҳаи зондкунии нах, ҳадафи умумии омӯзиши лазерҳои танг ва паҳнои танг дар солҳои охир ноил шудан ба танзими дақиқи баланд дар диапазони васеътари мавҷ дар асоси пайгирии паҳнои хатти лазерии ултра-танг, садои фазаи ултра-паст ва басомад ва қувваи баромади ултра-устувор мебошад.
1.3 Талабот ба манбаи нури лазерии сафед
Дар соҳаи сенсории оптикӣ, лазери нури сафеди баландсифат барои беҳтар кардани кори система аҳамияти калон дорад. Ҳар қадар фарогирии спектри лазери нури сафед васеътар бошад, ҳамон қадар истифодаи он дар системаи сенсории нахи оптикӣ васеътар аст. Масалан, ҳангоми истифодаи панҷараи нахи Брагг (FBG) барои сохтани шабакаи сенсорӣ, таҳлили спектрӣ ё усули мувофиқкунии филтри танзимшаванда метавонад барои демодулятсия истифода шавад. Аввалин аз спектрометр барои санҷиши мустақими ҳар як дарозии мавҷи резонансии FBG дар шабака истифода бурд. Дуюмӣ аз филтри истинодӣ барои пайгирӣ ва калибрченкунии FBG дар сенсор истифода мебарад, ки ҳардуи онҳо ҳамчун манбаи нури санҷишӣ барои FBG манбаи нури васеъпаҳноро талаб мекунанд. Азбаски ҳар як шабакаи дастрасии FBG талафоти муайяни воридшавӣ хоҳад дошт ва паҳнои банд беш аз 0,1 нм дорад, демодулятсияи ҳамзамони якчанд FBG манбаи нури васеъпаҳноро бо қувваи баланд ва паҳнои банд талаб мекунад. Масалан, ҳангоми истифодаи панҷараи нахи дарозмудат (LPFG) барои ҳассоскунӣ, азбаски паҳнои банди як қуллаи талафот тақрибан 10 нм аст, барои тавсифи дақиқи хусусиятҳои қуллаи резонансии он манбаи рӯшноии спектри васеъ бо паҳнои банди кофӣ ва спектри нисбатан ҳамвор лозим аст. Аз ҷумла, панҷараи нахи акустикӣ (AIFG), ки бо истифода аз таъсири акустикӣ сохта шудааст, метавонад бо истифода аз таъсири акустикӣ диапазони танзими дарозии мавҷи резонансӣ то 1000 нм-ро тавассути танзими электрикӣ ба даст орад. Аз ин рӯ, санҷиши панҷараи динамикӣ бо чунин диапазони танзими ултра васеъ барои диапазони паҳнои банди манбаи рӯшноии спектри васеъ мушкилоти калон эҷод мекунад. Ба ҳамин монанд, дар солҳои охир панҷараи нахи Bragg-и майлдошта низ дар соҳаи ҳассоскунии нах васеъ истифода мешавад. Аз сабаби хусусиятҳои спектри талафоти бисёрқуллаи худ, диапазони тақсимоти дарозии мавҷ одатан метавонад ба 40 нм расад. Механизми ҳассоскунии он одатан муқоисаи ҳаракати нисбӣ байни қуллаҳои интиқоли сершумор аст, аз ин рӯ зарур аст, ки спектри интиқоли он пурра чен карда шавад. Паҳнои банди васеъ ва қудрати манбаи рӯшноии спектри васеъ бояд баландтар бошад.
2. Вазъи таҳқиқот дар дохил ва хориҷи кишвар
2.1 Манбаи нури лазерии хатти танг
2.1.1 Лазери нимноқил бо паҳнои хати танг бо бозгашти тақсимшуда
Дар соли 2006, Клиш ва ҳамкоронаш миқёси MHz-и нимноқилро кам карданд.Лазери DFB(лазери бозгашти тақсимшуда) ба миқёси кГц бо истифода аз усули бозгашти барқӣ; Дар соли 2011, Кесслер ва ҳамкоронаш ковокии яккристаллии ҳарорати паст ва устувории баландро дар якҷоягӣ бо назорати фаъоли бозгашт истифода бурданд, то баромади лазерии паҳнои хатти ултратанги 40 МГц ба даст оранд; Дар соли 2013, Пенг ва ҳамкоронаш бо истифода аз усули танзими берунаи бозгашти Фабри-Перо (FP) баромади лазерии нимноқилро бо паҳнои хатти 15 кГц ба даст оварданд. Усули бозгашти барқӣ асосан бозгашти устуворкунии басомади Понд-Древер-Холлро барои кам кардани паҳнои хатти лазерии манбаи рӯшноӣ истифода бурд. Дар соли 2010, Бернхарди ва ҳамкоронаш 1 см FBG-и бо эрбий омехташудаи алюминийро дар зеризаминии оксиди кремний истеҳсол карданд, то баромади лазерро бо паҳнои хатти тақрибан 1,7 кГц ба даст оранд. Дар ҳамон сол, Лянг ва ҳамкоронаш... аз посухи худсӯзиши парокандагии баръакси Рейлей, ки аз ҷониби резонатори девори аксуламали баландсифати Q барои фишурдани паҳнои хатти лазерии нимноқил ташкил карда шудааст, истифода бурд, чунон ки дар расми 1 нишон дода шудааст ва дар ниҳоят баромади лазерии танг дар паҳнои хатти 160 Гц ба даст овард.
Расми 1 (а) Диаграммаи фишурдани паҳнои хатти лазерии нимноқил, ки ба парокандагии худсӯзиши Рейлии резонатори ҳолати галереяи пичирроси беруна асос ёфтааст;
(б) Спектри басомади лазери нимноқилии озод бо паҳнои хатти 8 МГц;
(в) Спектри басомади лазер бо паҳнои хат то 160 Гц фишурда шудааст
2.1.2 Лазери нахи хатти танг
Барои лазерҳои нахи ковокии хаттӣ, баромади лазерии танг дар ҳолати якдафъаинаи дарозӣ бо роҳи кӯтоҳ кардани дарозии резонатор ва зиёд кардани фосилаи ҳолати дарозӣ ба даст оварда мешавад. Дар соли 2004, Шпигелберг ва ҳамкорон бо истифода аз усули ковокии кӯтоҳи DBR, баромади лазерии танг дар ҳолати якдафъаинаи дарозӣ бо паҳнои хатти 2 кГц ба даст оварданд. Дар соли 2007, Шен ва ҳамкорон аз нахи кремнийи бо эрбий допингшудаи 2 см барои навиштани FBG дар нахи фотоҳассос бо Bi-Ge истифода бурданд ва онро бо нахи фаъол омехта карданд, то як ковокии хаттии фишурдаро ташкил диҳанд ва паҳнои хатти баромади лазерии онро камтар аз 1 кГц гардонданд. Дар соли 2010, Ян ва ҳамкорон аз як ковокии хаттии кӯтоҳи допингшудаи 2 см бо филтри FBG бо банди танг якҷоя истифода бурданд, то баромади лазерии якдафъаинаи дарозӣ бо паҳнои хатти камтар аз 2 кГц ба даст оранд. Дар соли 2014, даста аз як ковокии хаттии кӯтоҳ (резонатори ҳалқаи печонидашудаи виртуалӣ) дар якҷоягӣ бо филтри FBG-FP истифода бурд, то баромади лазерро бо паҳнои хатти тангтар ба даст орад, чунон ки дар расми 3 нишон дода шудааст. Дар соли 2012, Кай ва ҳамкоронаш аз сохтори ковокии кӯтоҳи 1,4 см истифода бурданд, то баромади лазери поляризатсиякунандаро бо қувваи баромади бештар аз 114 мВт, дарозии мавҷи марказии 1540,3 нм ва паҳнои хат 4,1 кГц ба даст оранд. Дар соли 2013, Менг ва ҳамкоронаш аз парокандагии Бриллюин аз нахи бо эрбий омехташуда бо ковокии ҳалқаи кӯтоҳи дастгоҳи нигоҳдории пурра истифода бурданд, то баромади лазери садои пастфазаи якдарозро бо қувваи баромади 10 мВт ба даст оранд. Дар соли 2015, даста аз як ковокии ҳалқавӣ, ки аз нахи бо эрбий омехташуда бо 45 см иборат буд, ҳамчун муҳити афзоиши парокандагии Бриллюин истифода бурд, то баромади лазери остонаи паст ва паҳнои хатти тангро ба даст орад.
Расми 2 (а) Нақшаи схемавии лазери нахи SLC;
(б) Хатти шакли сигнали гетеродин, ки бо таъхири нахи оптикӣ дар масофаи 97.6 км чен карда шудааст
Вақти нашр: 20 ноябри соли 2023