تكنولوجيا مصدر الليزر لإستشعار الألياف الضوئية الجزء الأول

تكنولوجيا مصدر الليزر لالألياف الضوئيةالاستشعار الجزء الأول

تكنولوجيا استشعار الألياف الضوئية هي نوع من تكنولوجيا الاستشعار التي تم تطويرها جنبًا إلى جنب مع تكنولوجيا الألياف الضوئية وتكنولوجيا اتصالات الألياف الضوئية، وقد أصبحت واحدة من أكثر فروع التكنولوجيا الكهروضوئية نشاطًا. يتكون نظام استشعار الألياف الضوئية بشكل أساسي من الليزر وألياف الإرسال وعنصر الاستشعار أو منطقة التعديل وكشف الضوء وأجزاء أخرى. تشمل المعلمات التي تصف خصائص موجة الضوء الكثافة، والطول الموجي، والطور، وحالة الاستقطاب، وما إلى ذلك. ويمكن تغيير هذه المعلمات عن طريق التأثيرات الخارجية في نقل الألياف الضوئية. على سبيل المثال، عندما تؤثر درجة الحرارة والإجهاد والضغط والتيار والإزاحة والاهتزاز والدوران والانحناء والكمية الكيميائية على المسار البصري، تتغير هذه المعلمات وفقًا لذلك. يعتمد استشعار الألياف الضوئية على العلاقة بين هذه المعلمات والعوامل الخارجية لاكتشاف الكميات الفيزيائية المقابلة.

هناك أنواع كثيرة منمصدر الليزرالمستخدمة في أنظمة استشعار الألياف الضوئية، والتي يمكن تقسيمها إلى فئتين: متماسكةمصادر الليزرومصادر الضوء غير متماسكة، غير متماسكةمصادر الضوءوتشمل بشكل رئيسي الضوء المتوهج والثنائيات الباعثة للضوء، وتشمل مصادر الضوء المتماسكة الليزر الصلب، والليزر السائل، والليزر الغازي،ليزر أشباه الموصلاتوليزر الألياف. ما يلي هو في المقام الأول لمصدر ضوء الليزريستخدم على نطاق واسع في مجال استشعار الألياف في السنوات الأخيرة: ليزر أحادي التردد بعرض خط ضيق، وليزر تردد اكتساح ذو طول موجي واحد، والليزر الأبيض.

1.1 متطلبات عرض الخط الضيقمصادر ضوء الليزر

لا يمكن فصل نظام استشعار الألياف الضوئية عن مصدر الليزر، حيث أن الموجة الضوئية الحاملة للإشارة المقاسة وأداء مصدر ضوء الليزر نفسه، مثل استقرار الطاقة وعرض خط الليزر وضوضاء الطور وغيرها من المعلمات على مسافة الكشف عن نظام استشعار الألياف الضوئية والكشف تلعب خصائص الدقة والحساسية والضوضاء دورًا حاسمًا. في السنوات الأخيرة، مع تطوير أنظمة استشعار الألياف الضوئية فائقة الدقة لمسافات طويلة، طرحت الأوساط الأكاديمية والصناعة متطلبات أكثر صرامة لأداء عرض الخط لتصغير الليزر، بشكل رئيسي في: تستخدم تقنية انعكاس مجال التردد البصري (OFDR) متماسكة تقنية الكشف لتحليل الإشارات الخلفية المتناثرة للألياف الضوئية في المجال الترددي بتغطية واسعة (آلاف الأمتار). أصبحت مزايا الدقة العالية (دقة مستوى المليمتر) والحساسية العالية (حتى -100 ديسيبل ميلي واط) واحدة من التقنيات ذات آفاق التطبيق الواسعة في قياس الألياف الضوئية الموزعة وتكنولوجيا الاستشعار. يتمثل جوهر تقنية OFDR في استخدام مصدر ضوء قابل للضبط لتحقيق ضبط التردد البصري، وبالتالي فإن أداء مصدر الليزر يحدد العوامل الرئيسية مثل نطاق اكتشاف OFDR والحساسية والدقة. عندما تكون مسافة نقطة الانعكاس قريبة من طول التماسك، سيتم تخفيف شدة إشارة النبض بشكل كبير بواسطة المعامل τ/τc. بالنسبة لمصدر ضوء غاوسي ذو شكل طيفي، من أجل ضمان أن يكون تردد النبض أكثر من 90% من الرؤية، فإن العلاقة بين عرض خط مصدر الضوء والحد الأقصى لطول الاستشعار الذي يمكن للنظام تحقيقه هو Lmax~0.04vg /f، مما يعني أنه بالنسبة للألياف التي يبلغ طولها 80 كم، يكون عرض خط مصدر الضوء أقل من 100 هرتز. وبالإضافة إلى ذلك، فإن تطوير التطبيقات الأخرى يطرح أيضًا متطلبات أعلى لعرض خط مصدر الضوء. على سبيل المثال، في نظام مكبر الصوت بالألياف الضوئية، يحدد عرض خط مصدر الضوء ضوضاء النظام ويحدد أيضًا الحد الأدنى من الإشارة القابلة للقياس للنظام. في عاكس المجال الزمني البصري Brillouin (BOTDR)، يتم تحديد دقة قياس درجة الحرارة والإجهاد بشكل أساسي من خلال عرض خط مصدر الضوء. في جيروسكوب الألياف الضوئية المرنان، يمكن زيادة طول تماسك موجة الضوء عن طريق تقليل عرض خط مصدر الضوء، وبالتالي تحسين دقة وعمق الرنين للمرنان، وتقليل عرض خط المرنان، وضمان القياس دقة الدوران الألياف البصرية.

1.2 متطلبات مصادر الليزر الكاسحة

يتميز ليزر الاجتياح ذو الطول الموجي الواحد بأداء ضبط مرن للطول الموجي، ويمكن أن يحل محل أشعة الليزر ذات الطول الموجي الثابت المتعددة، ويقلل من تكلفة بناء النظام، وهو جزء لا غنى عنه في نظام استشعار الألياف الضوئية. على سبيل المثال، في استشعار ألياف الغاز النزرة، يكون للأنواع المختلفة من الغازات قمم مختلفة لامتصاص الغاز. من أجل ضمان كفاءة امتصاص الضوء عندما يكون غاز القياس كافيًا وتحقيق حساسية قياس أعلى، من الضروري محاذاة الطول الموجي لمصدر ضوء الإرسال مع ذروة الامتصاص لجزيء الغاز. يتم تحديد نوع الغاز الذي يمكن اكتشافه بشكل أساسي من خلال الطول الموجي لمصدر ضوء الاستشعار. ولذلك، تتمتع أشعة الليزر ذات العرض الخطي الضيق مع أداء ضبط النطاق العريض المستقر بمرونة قياس أعلى في أنظمة الاستشعار هذه. على سبيل المثال، في بعض أنظمة استشعار الألياف الضوئية الموزعة القائمة على انعكاس مجال التردد البصري، يحتاج الليزر إلى مسحه بسرعة وبشكل دوري لتحقيق كشف متماسك عالي الدقة وإزالة تشكيل الإشارات الضوئية، وبالتالي فإن معدل تعديل مصدر الليزر له متطلبات عالية نسبيًا ، وعادةً ما تكون سرعة المسح لليزر القابل للتعديل مطلوبة للوصول إلى 10 مساءً / ميكروثانية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا استخدام الليزر ذو الطول الموجي الضيق القابل للضبط على نطاق واسع في LiDAR والاستشعار عن بعد بالليزر والتحليل الطيفي عالي الدقة ومجالات الاستشعار الأخرى. من أجل تلبية متطلبات معلمات الأداء العالي لضبط عرض النطاق الترددي وضبط الدقة وسرعة ضبط أشعة الليزر ذات الطول الموجي الفردي في مجال استشعار الألياف، فإن الهدف العام لدراسة ليزر الألياف الضيق العرض القابل للضبط في السنوات الأخيرة هو تحقيق مستوى عالٍ من الأداء. ضبط دقيق في نطاق طول موجي أكبر على أساس متابعة عرض خط الليزر الضيق للغاية، وضوضاء الطور المنخفضة للغاية، وتردد الإخراج والطاقة فائق الاستقرار.

1.3 الطلب على مصدر ضوء الليزر الأبيض

في مجال الاستشعار البصري، يعد ليزر الضوء الأبيض عالي الجودة ذو أهمية كبيرة لتحسين أداء النظام. كلما اتسعت تغطية طيف ليزر الضوء الأبيض، زاد شمول تطبيقه في نظام استشعار الألياف الضوئية. على سبيل المثال، عند استخدام شبكة الألياف Bragg (FBG) لإنشاء شبكة استشعار، يمكن استخدام التحليل الطيفي أو طريقة مطابقة المرشح القابل للضبط لإزالة التشكيل. استخدم الأول مقياسًا طيفيًا لاختبار كل طول موجة رنين FBG مباشرة في الشبكة. يستخدم الأخير مرشحًا مرجعيًا لتتبع ومعايرة FBG في الاستشعار، وكلاهما يتطلب مصدر ضوء واسع النطاق كمصدر ضوء اختبار لـ FBG. نظرًا لأن كل شبكة وصول إلى FBG سيكون لها خسارة معينة في الإدراج، ولديها عرض نطاق ترددي يزيد عن 0.1 نانومتر، فإن إزالة التشكيل المتزامن لـ FBG المتعددة تتطلب مصدر ضوء عريض النطاق ذو طاقة عالية وعرض نطاق ترددي مرتفع. على سبيل المثال، عند استخدام شبكة الألياف طويلة المدى (LPFG) للاستشعار، نظرًا لأن عرض النطاق الترددي لذروة خسارة واحدة يكون في حدود 10 نانومتر، يلزم وجود مصدر ضوء واسع الطيف مع عرض نطاق ترددي كافٍ وطيف مسطح نسبيًا لتوصيف الرنين بدقة خصائص الذروة. على وجه الخصوص، يمكن لشبكة الألياف الصوتية (AIFG) التي تم إنشاؤها باستخدام التأثير الصوتي البصري تحقيق نطاق ضبط لطول موجة الرنين يصل إلى 1000 نانومتر عن طريق الضبط الكهربائي. ولذلك، فإن اختبار الشبكة الديناميكية مع نطاق الضبط الفائق الاتساع هذا يشكل تحديًا كبيرًا لنطاق عرض النطاق الترددي لمصدر ضوء واسع الطيف. وبالمثل، في السنوات الأخيرة، تم أيضًا استخدام شبكة ألياف Bragg المائلة على نطاق واسع في مجال استشعار الألياف. ونظرًا لخصائص طيف الخسارة متعدد الذروة، يمكن أن يصل نطاق توزيع الطول الموجي عادةً إلى 40 نانومتر. تتمثل آلية الاستشعار الخاصة به عادةً في مقارنة الحركة النسبية بين قمم الإرسال المتعددة، لذلك من الضروري قياس طيف الإرسال الخاص به بالكامل. يجب أن يكون عرض النطاق الترددي وقوة مصدر الضوء واسع الطيف أعلى.

2. حالة البحث في الداخل والخارج

2.1 مصدر ضوء الليزر ذو العرض الضيق

2.1.1 ليزر التغذية الراجعة الموزع بأشباه الموصلات ذو الخط الضيق

في عام 2006، كليشيه وآخرون. خفض نطاق ميغاهيرتز لأشباه الموصلاتليزر دي اف بي(ليزر التغذية الراجعة الموزعة) على مقياس كيلو هرتز باستخدام طريقة التغذية الراجعة الكهربائية؛ في عام 2011، كيسلر وآخرون. تستخدم درجة حرارة منخفضة وتجويفًا بلوريًا واحدًا عالي الثبات جنبًا إلى جنب مع التحكم النشط في ردود الفعل للحصول على إخراج ليزر بعرض خط ضيق للغاية يبلغ 40 ميجا هرتز ؛ في عام 2013، حصل Peng et al على مخرج ليزر أشباه الموصلات بعرض خط يبلغ 15 كيلو هرتز باستخدام طريقة تعديل ردود الفعل الخارجية Fabry-Perot (FP). تستخدم طريقة التغذية المرتدة الكهربائية بشكل أساسي ردود فعل تثبيت التردد Pond-Drever-Hall لتقليل عرض خط الليزر لمصدر الضوء. في عام 2010، بيرنهاردي وآخرون. أنتجت 1 سم من الألومينا FBG المشبعة بالإربيوم على ركيزة من أكسيد السيليكون للحصول على مخرج ليزر بعرض خط يبلغ حوالي 1.7 كيلو هرتز. في نفس العام، ليانغ وآخرون. استخدم ردود الفعل ذاتية الحقن لنثر رايلي الخلفي الذي شكله مرنان جدار الصدى عالي الجودة لضغط عرض خط ليزر أشباه الموصلات، كما هو موضح في الشكل 1، وحصل أخيرًا على مخرج ليزر ضيق بعرض الخط يبلغ 160 هرتز.

الشكل 1 (أ) رسم تخطيطي لضغط عرض خط ليزر أشباه الموصلات استنادًا إلى تشتت رايلي للحقن الذاتي لمرنان وضع المعرض الهامس الخارجي؛
( ب ) طيف التردد لليزر أشباه الموصلات الذي يعمل بحرية ويبلغ عرض الخط 8 ميجا هرتز ؛
(ج) طيف تردد الليزر مع عرض الخط المضغوط إلى 160 هرتز
2.1.2 ليزر الألياف ذو العرض الضيق

بالنسبة لأشعة الليزر ذات التجويف الخطي، يتم الحصول على خرج الليزر ذو عرض الخط الضيق للوضع الطولي الفردي عن طريق تقصير طول الرنان وزيادة الفاصل الزمني للوضع الطولي. في عام 2004، شبيجلبيرج وآخرون. حصلت على إخراج ليزر ضيق بعرض خط طولي واحد مع عرض خط يبلغ 2 كيلو هرتز باستخدام طريقة التجويف القصير DBR. في عام 2007، شين وآخرون. استخدم ألياف سيليكون مشبعة بالإربيوم بكثافة 2 سم لكتابة FBG على ألياف حساسة للضوء مشبعة بـ Bi-Ge، ودمجها مع ألياف نشطة لتشكيل تجويف خطي مدمج، مما يجعل عرض خط إخراج الليزر أقل من 1 كيلو هرتز. في عام 2010، يانغ وآخرون. استخدم تجويفًا خطيًا قصيرًا مخدرًا بدرجة عالية يبلغ 2 سم مع مرشح FBG ضيق النطاق للحصول على إخراج ليزر طولي واحد بعرض خط أقل من 2 كيلو هرتز. في عام 2014، استخدم الفريق تجويفًا خطيًا قصيرًا (رنانًا حلقيًا مطويًا افتراضيًا) مدمجًا مع مرشح FBG-FP للحصول على مخرج ليزر بعرض خط أضيق، كما هو موضح في الشكل 3. في عام 2012، كاي وآخرون. استخدم هيكل تجويف قصير 1.4 سم للحصول على مخرج ليزر مستقطب بقدرة خرج أكبر من 114 ميجاوات، وطول موجة مركزي يبلغ 1540.3 نانومتر، وعرض خط يبلغ 4.1 كيلو هرتز. في عام 2013، منغ وآخرون. استخدم تشتت Brillouin من الألياف المشبعة بالإربيوم مع تجويف حلقة قصيرة لجهاز الحفاظ على التحيز الكامل للحصول على وضع طولي واحد وإخراج ليزر منخفض الضوضاء منخفض الطور مع طاقة خرج تبلغ 10 ميجاوات. في عام 2015، استخدم الفريق تجويفًا حلقيًا يتكون من ألياف مشبعة بالإربيوم بقطر 45 سم كوسط كسب مبعثر لـ Brillouin للحصول على عتبة منخفضة وخرج ليزر ضيق العرض.

الشكل 2 (أ) رسم تخطيطي للليزر الليفي SLC؛
( ب ) الشكل الخطي للإشارة المتغايرة المقاسة بتأخير من الألياف يبلغ 97.6 كم