تكنولوجيا مصدر الليزر لالألياف البصريةالاستشعار الجزء الأول
تقنية استشعار الألياف الضوئية هي نوع من تقنيات الاستشعار التي طُوّرت بالتزامن مع تقنية الألياف الضوئية وتقنية اتصالات الألياف الضوئية، وأصبحت من أكثر فروع التكنولوجيا الكهروضوئية نشاطًا. يتكون نظام استشعار الألياف الضوئية بشكل رئيسي من الليزر، وألياف النقل، وعنصر الاستشعار أو منطقة التعديل، وجهاز استشعار الضوء، وأجزاء أخرى. تشمل المعلمات التي تصف خصائص موجة الضوء الشدة، والطول الموجي، والطور، وحالة الاستقطاب، وغيرها. قد تتغير هذه المعلمات بتأثيرات خارجية في نقل الألياف الضوئية. على سبيل المثال، عندما تؤثر درجة الحرارة، والإجهاد، والضغط، والتيار، والإزاحة، والاهتزاز، والدوران، والانحناء، والكمية الكيميائية على المسار الضوئي، تتغير هذه المعلمات تبعًا لذلك. يعتمد استشعار الألياف الضوئية على العلاقة بين هذه المعلمات والعوامل الخارجية للكشف عن الكميات الفيزيائية المقابلة.
هناك أنواع عديدة منمصدر الليزرتُستخدم في أنظمة استشعار الألياف الضوئية، والتي يمكن تقسيمها إلى فئتين: متماسكةمصادر الليزرومصادر الضوء غير المتماسكة وغير المتماسكةمصادر الضوءتشمل بشكل أساسي المصابيح المتوهجة والثنائيات الباعثة للضوء، وتشمل مصادر الضوء المتماسكة الليزر الصلب والليزر السائل والليزر الغازي،ليزر أشباه الموصلاتوليزر الألياف. ما يلي هو أساسا لمصدر ضوء الليزرتُستخدم على نطاق واسع في مجال استشعار الألياف في السنوات الأخيرة: ليزر التردد الواحد بعرض خط ضيق، ليزر التردد الموجي الواحد، والليزر الأبيض.
1.1 متطلبات عرض الخط الضيقمصادر ضوء الليزر
لا يمكن فصل نظام استشعار الألياف الضوئية عن مصدر الليزر، حيث أن موجة الضوء الحاملة للإشارة المقاسة وأداء مصدر ضوء الليزر نفسه، مثل استقرار الطاقة وعرض خط الليزر وضوضاء الطور وغيرها من المعلمات، تلعب دورًا حاسمًا في مسافة الكشف ودقة الكشف والحساسية وخصائص الضوضاء لنظام استشعار الألياف الضوئية. في السنوات الأخيرة، ومع تطور أنظمة استشعار الألياف الضوئية فائقة الدقة بعيدة المدى، طرحت الأوساط الأكاديمية والصناعية متطلبات أكثر صرامة لأداء عرض خط تصغير الليزر، وخاصة في: تستخدم تقنية انعكاس مجال التردد البصري (OFDR) تقنية الكشف المتماسك لتحليل إشارات التشتت الخلفية للألياف الضوئية في مجال التردد، مع تغطية واسعة (آلاف الأمتار). أصبحت مزايا الدقة العالية (دقة مستوى المليمتر) والحساسية العالية (تصل إلى -100 ديسيبل ميلي واط) إحدى التقنيات ذات آفاق التطبيق الواسعة في تكنولوجيا قياس واستشعار الألياف الضوئية الموزعة. يعتمد جوهر تقنية OFDR على استخدام مصدر ضوء قابل للضبط لتحقيق ضبط التردد البصري، لذا يُحدد أداء مصدر الليزر العوامل الرئيسية مثل نطاق كشف OFDR والحساسية والدقة. عندما تكون مسافة نقطة الانعكاس قريبة من طول التماسك، تُضعف شدة إشارة النبضة بشكل كبير بواسطة معامل τ/τc. بالنسبة لمصدر ضوء غاوسي ذي شكل طيفي، ولضمان أن يكون تردد النبضة أكثر من 90% من الرؤية، فإن العلاقة بين عرض خط مصدر الضوء وأقصى طول استشعار يمكن للنظام تحقيقه هي Lmax~0.04vg/f، مما يعني أنه بالنسبة للألياف الضوئية بطول 80 كم، يكون عرض خط مصدر الضوء أقل من 100 هرتز. بالإضافة إلى ذلك، طرح تطوير تطبيقات أخرى متطلبات أعلى لعرض خط مصدر الضوء. على سبيل المثال، في نظام الهيدروفون بالألياف الضوئية، يُحدد عرض خط مصدر الضوء ضوضاء النظام، ويُحدد أيضًا الحد الأدنى للإشارة القابلة للقياس. في عاكس بريلوين البصري للمجال الزمني (BOTDR)، تُحدد دقة قياس درجة الحرارة والإجهاد بشكل رئيسي من خلال عرض خط مصدر الضوء. في جيروسكوب الألياف الضوئية الرنان، يُمكن زيادة طول تماسك الموجة الضوئية عن طريق تقليل عرض خط مصدر الضوء، مما يُحسّن دقة وعمق رنين الرنان، ويقلل عرض خط الرنان، ويضمن دقة قياس جيروسكوب الألياف الضوئية.
1.2 متطلبات مصادر الليزر الكاسح
يتميز ليزر المسح أحادي الطول الموجي بأداء مرن لضبط الطول الموجي، ويمكنه استبدال ليزرات ذات طول موجي ثابت متعددة المخرجات، مما يقلل من تكلفة بناء النظام، ويُعد جزءًا لا غنى عنه في أنظمة استشعار الألياف الضوئية. على سبيل المثال، في استشعار ألياف الغازات النزرة، تختلف قمم امتصاص الغازات باختلاف أنواع الغازات. لضمان كفاءة امتصاص الضوء عند كفاية غاز القياس وتحقيق حساسية قياس أعلى، من الضروري محاذاة طول موجة مصدر الضوء الناقل مع ذروة امتصاص جزيء الغاز. يتحدد نوع الغاز الذي يمكن اكتشافه بشكل أساسي من خلال طول موجة مصدر الضوء المستشعر. لذلك، تتمتع ليزرات عرض الخط الضيقة 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 الضوئي، يحتاج الليزر إلى مسح دوري سريع لتحقيق كشف متماسك عالي الدقة وفك تشفير للإشارات الضوئية، لذا فإن معدل تعديل مصدر الليزر يتطلب متطلبات عالية نسبيًا، وعادةً ما تكون سرعة مسح الليزر القابل للتعديل مطلوبة للوصول إلى 10 ميكرو ثانية. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن استخدام ليزر الألياف ضيق النطاق القابل للضبط على نطاق واسع في تقنيات الليدار، والاستشعار عن بُعد بالليزر، والتحليل الطيفي عالي الدقة، وغيرها من مجالات الاستشعار. ولتلبية متطلبات معايير الأداء العالية لعرض نطاق الضبط، ودقة الضبط، وسرعة الضبط لليزر أحادي الموجة في مجال استشعار الألياف، فإن الهدف العام لدراسة ليزر الألياف ضيق النطاق القابل للضبط في السنوات الأخيرة هو تحقيق ضبط عالي الدقة في نطاقات أطوال موجية أوسع، بالاعتماد على السعي لتحقيق عرض خط ليزر فائق الضيق، وانخفاض ضوضاء الطور، وثبات تردد وقوة الخرج بشكل كبير.
1.3 الطلب على مصدر ضوء الليزر الأبيض
في مجال الاستشعار البصري، يُعد ليزر الضوء الأبيض عالي الجودة ذا أهمية كبيرة لتحسين أداء النظام. كلما اتسع نطاق تغطية ليزر الضوء الأبيض، زاد اتساع نطاق تطبيقه في نظام استشعار الألياف الضوئية. على سبيل المثال، عند استخدام شبكة براج الليفية (FBG) لبناء شبكة استشعار، يمكن استخدام التحليل الطيفي أو طريقة مطابقة المرشح القابل للضبط لإزالة التضمين. يستخدم الأول مطيافًا لاختبار كل طول موجي رنيني لشبكة براج الليفية في الشبكة مباشرةً. يستخدم الأخير مرشحًا مرجعيًا لتتبع ومعايرة شبكة براج الليفية في الاستشعار، وكلاهما يتطلب مصدر ضوء واسع النطاق كمصدر ضوء اختبار لشبكة براج الليفية. نظرًا لأن كل شبكة وصول لشبكة براج الليفية سيكون لها خسارة إدخال معينة، ولديها عرض نطاق ترددي يزيد عن 0.1 نانومتر، فإن إزالة التضمين المتزامن لعدة شبكات براج الليفية تتطلب مصدر ضوء واسع النطاق ذو طاقة عالية وعرض نطاق ترددي عالي. على سبيل المثال، عند استخدام شبكة الألياف طويلة المدى (LPFG) للاستشعار، ونظرًا لأن عرض النطاق الترددي لذروة خسارة واحدة يبلغ حوالي 10 نانومتر، يلزم مصدر ضوء واسع الطيف بعرض نطاق ترددي كافٍ وطيف مسطح نسبيًا لتوصيف خصائص ذروة الرنين بدقة. على وجه الخصوص، يمكن لشبكة الألياف الصوتية (AIFG) المصممة باستخدام التأثير الصوتي البصري تحقيق نطاق ضبط لطول موجة الرنين يصل إلى 1000 نانومتر عن طريق الضبط الكهربائي. لذلك، فإن اختبار الشبكة الديناميكية بمثل هذا النطاق العريض للغاية يمثل تحديًا كبيرًا لنطاق عرض النطاق الترددي لمصدر ضوء واسع الطيف. وبالمثل، في السنوات الأخيرة، تم استخدام شبكة ألياف براغ المائلة على نطاق واسع في مجال استشعار الألياف. نظرًا لخصائص طيف الخسارة متعدد القمم، يمكن أن يصل نطاق توزيع الطول الموجي عادةً إلى 40 نانومتر. تتمثل آلية الاستشعار الخاصة بها عادةً في مقارنة الحركة النسبية بين ذروات الإرسال المتعددة، لذلك من الضروري قياس طيف الإرسال الخاص بها 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 الخط الضيق
2.1.1 ليزر التغذية الراجعة الموزعة شبه الموصلية ذو عرض خطي ضيق
في عام 2006، قام كليشي وآخرون بتقليص مقياس ميغاهيرتز لأشباه الموصلاتليزر DFB(ليزر التغذية الراجعة الموزعة) إلى مقياس كيلو هرتز باستخدام طريقة التغذية الراجعة الكهربائية؛ في عام 2011، استخدم كيسلر وآخرون تجويف بلوري واحد منخفض الحرارة وعالي الاستقرار مع التحكم في التغذية الراجعة النشطة للحصول على خرج ليزر بعرض خط ضيق للغاية يبلغ 40 ميجا هرتز؛ في عام 2013، حصل بينج وآخرون على خرج ليزر أشباه الموصلات بعرض خط يبلغ 15 كيلو هرتز باستخدام طريقة تعديل التغذية الراجعة الخارجية فابري بيرو (FP). استخدمت طريقة التغذية الراجعة الكهربائية بشكل أساسي التغذية الراجعة لتثبيت تردد بوند دريفر هول لتقليل عرض خط الليزر لمصدر الضوء. في عام 2010، أنتج بيرنهاردي وآخرون 1 سم من FBG الألومينا المشبعة بالإربيوم على ركيزة أكسيد السيليكون للحصول على خرج ليزر بعرض خط يبلغ حوالي 1.7 كيلو هرتز. في نفس العام، ليانغ وآخرون. تم استخدام ردود الفعل ذاتية الحقن لتشتت رايلي العكسي المشكل بواسطة مرنان جدار صدى عالي الجودة لضغط عرض خط الليزر شبه الموصل، كما هو موضح في الشكل 1، وأخيرًا تم الحصول على خرج ليزر ضيق بعرض خط يبلغ 160 هرتز.
الشكل 1 (أ) رسم تخطيطي لضغط عرض خط ليزر أشباه الموصلات استنادًا إلى تشتت رايلي ذاتي الحقن لمرنان وضع معرض الهمس الخارجي؛
(ب) طيف التردد لليزر أشباه الموصلات الحر الذي يبلغ عرض خطه 8 ميجا هرتز؛
(ج) طيف تردد الليزر مع عرض خط مضغوط إلى 160 هرتز
2.1.2 ليزر الألياف ذو الخط الضيق
بالنسبة لليزرات الليفية ذات التجويف الخطي، يتم الحصول على خرج ليزر ضيق الخط للوضع الطولي الفردي عن طريق تقصير طول الرنان وزيادة فاصل الوضع الطولي. في عام 2004، حصل Spiegelberg وآخرون على خرج ليزر ضيق الخط للوضع الطولي الفردي بعرض خط 2 كيلو هرتز باستخدام طريقة التجويف القصير DBR. في عام 2007، استخدم Shen وآخرون ليف سيليكون مشبع بالإربيوم بقطر 2 سم لكتابة FBG على ليف حساس للضوء مشبع بـ Bi-Ge، ودمجوه مع ليف نشط لتشكيل تجويف خطي مضغوط، مما يجعل عرض خط خرج الليزر أقل من 1 كيلو هرتز. في عام 2010، استخدم Yang وآخرون تجويفًا خطيًا قصيرًا مشبعًا بقطر 2 سم مع مرشح FBG ضيق النطاق للحصول على خرج ليزر أحادي الوضع الطولي بعرض خط أقل من 2 كيلو هرتز. في عام 2014، استخدم الفريق تجويفًا خطيًا قصيرًا (مرنان حلقي مطوي افتراضي) مع مرشح FBG-FP للحصول على خرج ليزر بعرض خط أضيق، كما هو موضح في الشكل 3. في عام 2012، استخدم Cai وآخرون بنية تجويف قصيرة 1.4 سم للحصول على خرج ليزر مستقطب بقوة خرج أكبر من 114 مللي واط، وطول موجي مركزي 1540.3 نانومتر، وعرض خط 4.1 كيلو هرتز. في عام 2013، استخدم Meng وآخرون تشتت Brillouin للألياف المشبعة بالإربيوم مع تجويف حلقي قصير لجهاز الحفاظ على التحيز الكامل للحصول على خرج ليزر أحادي الطول ومنخفض الضوضاء في الطور بقوة خرج 10 مللي واط. في عام 2015، استخدم الفريق تجويف حلقي مكون من ألياف مشبعة بالإربيوم بطول 45 سم كوسيط لكسب تشتت Brillouin للحصول على خرج ليزر منخفض العتبة وعرض خط ضيق.
الشكل 2 (أ) رسم تخطيطي لليزر الألياف SLC؛
(ب) شكل خط الإشارة المتجانسة المقاسة بتأخير الألياف 97.6 كم
وقت النشر: ٢٠ نوفمبر ٢٠٢٣