تقنية مصدر الليزر لاستشعار الألياف الضوئية - الجزء الأول

تقنية مصدر الليزر لـالألياف البصريةالاستشعار - الجزء الأول

تُعدّ تقنية الاستشعار بالألياف الضوئية نوعًا من تقنيات الاستشعار التي تطورت جنبًا إلى جنب مع تقنية الألياف الضوئية وتقنية الاتصالات عبر الألياف الضوئية، وقد أصبحت من أكثر فروع التكنولوجيا الكهروضوئية نشاطًا. يتكون نظام الاستشعار بالألياف الضوئية بشكل أساسي من الليزر، وألياف النقل، وعنصر الاستشعار أو منطقة التعديل، وكاشف الضوء، وغيرها من المكونات. تشمل المعايير التي تصف خصائص الموجة الضوئية: الشدة، والطول الموجي، والطور، وحالة الاستقطاب، وغيرها. قد تتغير هذه المعايير بفعل عوامل خارجية أثناء نقل الإشارة عبر الألياف الضوئية. على سبيل المثال، عندما تؤثر درجة الحرارة، أو الإجهاد، أو الضغط، أو التيار، أو الإزاحة، أو الاهتزاز، أو الدوران، أو الانحناء، أو الكمية الكيميائية على المسار البصري، تتغير هذه المعايير تبعًا لذلك. يعتمد الاستشعار بالألياف الضوئية على العلاقة بين هذه المعايير والعوامل الخارجية للكشف عن الكميات الفيزيائية المقابلة.

هناك أنواع عديدة منمصدر ليزرتُستخدم في أنظمة استشعار الألياف الضوئية، والتي يمكن تقسيمها إلى فئتين: متماسكةمصادر الليزرومصادر الضوء غير المتماسكة، غير المتماسكةمصادر الإضاءةتشمل مصادر الضوء المتماسكة بشكل رئيسي المصابيح المتوهجة والثنائيات الباعثة للضوء، وتشمل الليزر الصلب والليزر السائل والليزر الغازي.ليزر أشباه الموصلاتوليزر الأليافما يلي موجه بالدرجة الأولى إلىمصدر ضوء الليزرتُستخدم على نطاق واسع في مجال استشعار الألياف في السنوات الأخيرة: ليزر أحادي التردد ذو عرض خط ضيق، وليزر أحادي الطول الموجي ذو تردد مسح، وليزر أبيض.

1.1 متطلبات عرض الخط الضيقمصادر ضوء الليزر

لا يمكن فصل نظام استشعار الألياف الضوئية عن مصدر الليزر، إذ تلعب خصائص مصدر الليزر نفسه، مثل استقرار الطاقة وعرض خط الليزر والضوضاء الطورية، دورًا حاسمًا في تحديد مسافة الكشف ودقة الكشف والحساسية وخصائص الضوضاء لنظام استشعار الألياف الضوئية، باعتباره الموجة الحاملة للإشارة المقاسة. في السنوات الأخيرة، ومع تطور أنظمة استشعار الألياف الضوئية فائقة الدقة بعيدة المدى، وضعت الأوساط الأكاديمية والصناعية متطلبات أكثر صرامة لأداء عرض خط الليزر في تصغير حجمه، لا سيما في تقنية انعكاس المجال الترددي البصري (OFDR) التي تستخدم تقنية الكشف المتماسك لتحليل إشارات التشتت العكسي للألياف الضوئية في المجال الترددي، مع تغطية واسعة (آلاف الأمتار). وقد أصبحت مزايا الدقة العالية (دقة بمستوى المليمتر) والحساسية العالية (تصل إلى -100 ديسيبل ميلي واط) من التقنيات ذات آفاق تطبيق واسعة في تقنيات قياس واستشعار الألياف الضوئية الموزعة. تعتمد تقنية OFDR بشكل أساسي على استخدام مصدر ضوئي قابل للضبط لتحقيق ضبط التردد البصري، لذا فإن أداء مصدر الليزر هو ما يحدد العوامل الرئيسية مثل نطاق الكشف والحساسية والدقة. عندما تقترب مسافة نقطة الانعكاس من طول التماسك، تتضاءل شدة إشارة الخفقان بشكل أُسّي بمعامل τ/τc. بالنسبة لمصدر ضوئي غاوسي ذي شكل طيفي، ولضمان وضوح تردد الخفقان بنسبة تزيد عن 90%، تكون العلاقة بين عرض خط المصدر الضوئي وأقصى طول استشعار يمكن للنظام تحقيقه هي Lmax~0.04vg/f، مما يعني أنه بالنسبة لألياف ضوئية بطول 80 كم، يكون عرض خط المصدر الضوئي أقل من 100 هرتز. بالإضافة إلى ذلك، فإن تطوير تطبيقات أخرى يفرض متطلبات أعلى لعرض خط المصدر الضوئي. على سبيل المثال، في نظام الميكروفون المائي بالألياف الضوئية، يحدد عرض خط الطيف الضوئي ضوضاء النظام، كما يحدد الحد الأدنى للإشارة القابلة للقياس. وفي عاكس بريلوين البصري في المجال الزمني (BOTDR)، تعتمد دقة قياس درجة الحرارة والإجهاد بشكل أساسي على عرض خط الطيف الضوئي. أما في جيروسكوب الألياف الضوئية الرنان، فيمكن زيادة طول تماسك الموجة الضوئية بتقليل عرض خط الطيف الضوئي، مما يُحسّن دقة الرنين وعمقه، ويضمن دقة قياس جيروسكوب الألياف الضوئية.

1.2 متطلبات مصادر الليزر الكاسح

يتميز ليزر المسح أحادي الطول الموجي بأداء ضبط مرن للطول الموجي، ويمكنه استبدال ليزرات متعددة المخارج ذات أطوال موجية ثابتة، مما يقلل من تكلفة إنشاء النظام، وهو جزء لا غنى عنه في أنظمة استشعار الألياف الضوئية. على سبيل المثال، في استشعار الغازات النزرة عبر الألياف، تختلف قمم امتصاص الغاز باختلاف أنواع الغازات. ولضمان كفاءة امتصاص الضوء عند كفاية الغاز المراد قياسه، وتحقيق حساسية قياس أعلى، من الضروري مواءمة الطول الموجي لمصدر الضوء النافذ مع قمة امتصاص جزيء الغاز. ويتحدد نوع الغاز القابل للكشف بشكل أساسي بالطول الموجي لمصدر ضوء الاستشعار. لذلك، تتمتع ليزرات عرض الخط الضيق ذات أداء الضبط المستقر واسع النطاق 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 مسح دوري سريع لتحقيق كشف متماسك عالي الدقة وإزالة تشكيل الإشارات الضوئية، لذا فإن معدل تشكيل مصدر الليزر له متطلبات عالية نسبيًا، وعادةً ما يُطلب أن تصل سرعة مسح الليزر القابل للتعديل إلى 10 بيكومتر/ميكروثانية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام ليزر النطاق الضيق القابل للضبط الطيفي على نطاق واسع في تقنيات الليدار، والاستشعار عن بُعد بالليزر، والتحليل الطيفي عالي الدقة، وغيرها من مجالات الاستشعار. ولتلبية متطلبات الأداء العالي لنطاق الضبط الطيفي، ودقة الضبط، وسرعة الضبط لليزر أحادي الطول الموجي في مجال استشعار الألياف، يتمثل الهدف العام لدراسة ليزر الألياف ذي النطاق الضيق القابل للضبط في السنوات الأخيرة في تحقيق ضبط عالي الدقة في نطاق أوسع من الأطوال الموجية، وذلك بالاعتماد على تحقيق نطاق طيفي ضيق للغاية، وضوضاء طورية منخفضة للغاية، وتردد وقدرة خرج فائقة الاستقرار.

1.3 الطلب على مصدر ضوء الليزر الأبيض

في مجال الاستشعار البصري، يُعدّ ليزر الضوء الأبيض عالي الجودة ذا أهمية بالغة لتحسين أداء النظام. فكلما اتسع نطاق تغطية طيف ليزر الضوء الأبيض، اتسع نطاق استخدامه في أنظمة الاستشعار بالألياف الضوئية. على سبيل المثال، عند استخدام محزز براغ الليفي (FBG) لإنشاء شبكة استشعار، يمكن استخدام التحليل الطيفي أو طريقة مطابقة المرشحات القابلة للضبط لإزالة التضمين. تعتمد الطريقة الأولى على استخدام مطياف لاختبار كل طول موجي رنيني لـ FBG في الشبكة مباشرةً. أما الطريقة الثانية فتعتمد على مرشح مرجعي لتتبع ومعايرة FBG في عملية الاستشعار، وكلتا الطريقتين تتطلبان مصدر ضوء واسع النطاق كمصدر ضوء اختبار لـ FBG. ولأن كل شبكة وصول لـ FBG تعاني من فقد إدخال معين، ويبلغ عرض نطاقها الترددي أكثر من 0.1 نانومتر، فإن إزالة التضمين المتزامنة لعدة FBG تتطلب مصدر ضوء واسع النطاق ذو قدرة عالية وعرض نطاق ترددي كبير. على سبيل المثال، عند استخدام محزز الألياف ذي الفترة الطويلة (LPFG) للاستشعار، ونظرًا لأن عرض نطاق ذروة الفقد الواحدة يبلغ حوالي 10 نانومتر، يلزم وجود مصدر ضوئي واسع الطيف ذي عرض نطاق كافٍ وطيف مسطح نسبيًا لتوصيف خصائص ذروة الرنين بدقة. وعلى وجه الخصوص، يمكن لمحزز الألياف الصوتية (AIFG)، المصمم باستخدام التأثير الصوتي البصري، تحقيق نطاق ضبط لطول موجة الرنين يصل إلى 1000 نانومتر عن طريق الضبط الكهربائي. لذلك، يمثل اختبار المحزز الديناميكي بنطاق ضبط واسع للغاية تحديًا كبيرًا لنطاق عرض نطاق مصدر الضوء واسع الطيف. وبالمثل، في السنوات الأخيرة، شاع استخدام محزز ألياف براغ المائل في مجال استشعار الألياف. ونظرًا لخصائص طيف الفقد متعدد الذروات، يمكن أن يصل نطاق توزيع الطول الموجي عادةً إلى 40 نانومتر. وتعتمد آلية الاستشعار فيه عادةً على مقارنة الحركة النسبية بين ذروات الإرسال المتعددة، لذا من الضروري قياس طيف الإرسال الخاص به بالكامل. يجب أن يكون عرض النطاق الترددي وقوة مصدر الضوء ذي الطيف الواسع أعلى.

2. وضع البحث في الداخل والخارج

2.1 مصدر ضوء ليزر ذو عرض خط ضيق

2.1.1 ليزر أشباه الموصلات ذو التغذية الراجعة الموزعة ذو عرض الخط الضيق

في عام 2006، قام كليش وآخرون بتقليص نطاق الميغاهرتز لأشباه الموصلاتليزر DFB(ليزر التغذية الراجعة الموزعة) إلى نطاق كيلوهرتز باستخدام طريقة التغذية الراجعة الكهربائية؛ في عام 2011، استخدم كيسلر وآخرون تجويفًا أحادي البلورة منخفض الحرارة وعالي الاستقرار مع تحكم التغذية الراجعة النشط للحصول على خرج ليزر ذي عرض خط ضيق للغاية يبلغ 40 ميجاهرتز؛ في عام 2013، حصل بنغ وآخرون على خرج ليزر شبه موصل بعرض خط يبلغ 15 كيلوهرتز باستخدام طريقة ضبط التغذية الراجعة الخارجية من نوع فابري-بيرو (FP). استخدمت طريقة التغذية الراجعة الكهربائية بشكل أساسي تغذية بوند-دريفر-هول لتثبيت التردد لتقليل عرض خط الليزر لمصدر الضوء. في عام 2010، أنتج برناردي وآخرون 1 سم من ألياف براغ المحفورة (FBG) من الألومينا المشوبة بالإربيوم على ركيزة من أكسيد السيليكون للحصول على خرج ليزر بعرض خط يبلغ حوالي 1.7 كيلوهرتز. في العام نفسه، ليانغ وآخرون. استخدم التغذية الراجعة للحقن الذاتي لتشتت رايلي العكسي المتكون بواسطة رنان جدار صدى عالي الجودة لضغط عرض خط ليزر أشباه الموصلات، كما هو موضح في الشكل 1، وحصل في النهاية على خرج ليزر ضيق بعرض خط يبلغ 160 هرتز.

الشكل 1 (أ) مخطط ضغط عرض خط ليزر أشباه الموصلات بناءً على تشتت رايلي بالحقن الذاتي لرنان نمط المعرض الهمسي الخارجي؛
(ب) طيف التردد لليزر أشباه الموصلات الحر التشغيل بعرض خط يبلغ 8 ميجاهرتز؛
(ج) طيف تردد الليزر مع ضغط عرض الخط إلى 160 هرتز
2.1.2 ليزر الألياف ذو عرض الخط الضيق

في ليزرات الألياف ذات التجويف الخطي، يُحصل على خرج ليزر ضيق النطاق لنمط طولي واحد بتقصير طول الرنان وزيادة الفاصل الزمني بين الأنماط الطولية. في عام 2004، حصل شبيغلبرغ وزملاؤه على خرج ليزر ضيق النطاق لنمط طولي واحد بعرض خط طيفي يبلغ 2 كيلوهرتز باستخدام طريقة التجويف القصير DBR. وفي عام 2007، استخدم شين وزملاؤه ليفًا سيليكونيًا عالي التشويب بالإربيوم بطول 2 سم لكتابة شبكة براغ الليفية (FBG) على ليف حساس للضوء مُشاب بالبزموت والجرمانيوم، ودمجوه مع ليف نشط لتشكيل تجويف خطي مضغوط، مما جعل عرض خط خرج الليزر أقل من 1 كيلوهرتز. وفي عام 2010، استخدم يانغ وزملاؤه تجويفًا خطيًا قصيرًا عالي التشويب بطول 2 سم مع مرشح FBG ضيق النطاق للحصول على خرج ليزر لنمط طولي واحد بعرض خط طيفي أقل من 2 كيلوهرتز. في عام 2014، استخدم الفريق تجويفًا خطيًا قصيرًا (رنان حلقي مطوي افتراضي) مع مرشح FBG-FP للحصول على خرج ليزري ذي عرض خط أضيق، كما هو موضح في الشكل 3. وفي عام 2012، استخدم كاي وزملاؤه بنية تجويف قصيرة بطول 1.4 سم للحصول على خرج ليزري مستقطب بقدرة خرج تزيد عن 114 ميلي واط، وطول موجي مركزي 1540.3 نانومتر، وعرض خط 4.1 كيلو هرتز. وفي عام 2013، استخدم مينغ وزملاؤه تشتت بريلوين لألياف مشبعة بالإربيوم مع تجويف حلقي قصير لجهاز يحافظ على الانحياز الكامل للحصول على خرج ليزري أحادي النمط الطولي، منخفض الضوضاء الطورية، بقدرة خرج 10 ميلي واط. وفي عام 2015، استخدم الفريق تجويفًا حلقيًا مكونًا من ألياف مشبعة بالإربيوم بطول 45 سم كوسط كسب لتشتت بريلوين للحصول على خرج ليزري ذي عتبة منخفضة وعرض خط ضيق.

الشكل 2 (أ) رسم تخطيطي لليزر الألياف SLC؛
(ب) شكل خط إشارة التغاير المقاسة بتأخير ألياف يبلغ 97.6 كم