Teknolojiya çavkaniya lazerê ji bofîbera optîkhîskirina Beşa Yekem
Teknolojiya hesaskirina fîbera optîk cureyek teknolojiya hesaskirinê ye ku bi teknolojiya fîbera optîk û teknolojiya ragihandinê ya fîbera optîk re pêşketiye û bûye yek ji şaxên herî çalak ên teknolojiya fotoelektrîkê. Sîstema hesaskirina fîbera optîk bi giranî ji lazer, fîbera veguheztinê, hêmana hesaskirinê an qada modûlasyonê, tespîtkirina ronahiyê û beşên din pêk tê. Parametreyên ku taybetmendiyên pêla ronahiyê diyar dikin ev in: şîddet, dirêjahiya pêlê, qonax, rewşa polarîzasyonê û hwd. Ev parametre dikarin ji hêla bandorên derveyî di veguhestina fîbera optîk de werin guhertin. Mînakî, dema ku germahî, zor, zext, herikîn, cihguherandin, lerizîn, zivirandin, xwarbûn û mîqdara kîmyewî bandorê li rêya optîkî dikin, ev parametre jî bi heman rengî diguherin. Hesaskirina fîbera optîk li ser têkiliya di navbera van parametreyan û faktorên derveyî de ye da ku mîqdarên fîzîkî yên têkildar tespît bike.
Gelek celeb heneçavkaniya lazerêdi sîstemên hestiyariyê yên fîbera optîkî de tê bikar anîn, ku dikarin li du kategoriyan werin dabeş kirin: hevgirtîçavkaniyên lazerêû çavkaniyên ronahiyê yên nehevgirtî, nehevgirtîçavkaniyên ronahiyêbi giranî ronahiya inkandesan û dîodên ronahîder dihewîne, û çavkaniyên ronahiya hevgirtî lazerên zexm, lazerên şile, lazerên gazê dihewîne,lazerê nîvconductorûlazerê fîberêEv jêrîn bi piranî ji boçavkaniya ronahiya lazerêDi salên dawî de di warê hesaskirina fîberê de bi berfirehî tê bikar anîn: lazera yek-frekansê ya firehiya xeta teng, lazera frekansê ya dûvçûnê ya yek-dirêjahiya pêlê û lazera spî.
1.1 Pêdiviyên ji bo firehiya xeta tengçavkaniyên ronahiya lazerê
Sîstema hesaskirina fîbera optîkî ji çavkaniya lazerê nayê veqetandin, ji ber ku pêla ronahî ya hilgirê sînyala pîvandî, performansa çavkaniya ronahiya lazerê bi xwe, wekî aramiya hêzê, firehiya xeta lazerê, dengê qonaxê û parametreyên din li ser dûrbûna tespîtkirinê ya pergala hesaskirina fîbera optîkî, rastbûna tespîtkirinê, hesasiyet û taybetmendiyên deng roleke diyarker dilîzin. Di salên dawî de, bi pêşkeftina pergalên hesaskirina fîbera optîkî ya çareseriya ultra-bilind a dûr-dirêj, akademî û pîşesaziyê ji bo performansa firehiya xeta lazerê daxwazên hişktir pêşkêş kirine, bi taybetî di: teknolojiya refleksa qada frekansa optîkî (OFDR) teknolojiya tespîtkirina hevgirtî bikar tîne da ku sînyalên belavbûyî yên paş-ray ên fîberên optîkî di qada frekansê de analîz bike, bi vegirtinek fireh (bi hezaran metre). Awantajên çareseriya bilind (çareseriya asta mîlîmetreyê) û hesasiyeta bilind (heta -100 dBm) bûne yek ji teknolojiyên bi perspektîfên serîlêdanê yên fireh di pîvandina fîbera optîkî ya belavkirî û teknolojiya hesaskirinê de. Bingeha teknolojiya OFDR ew e ku çavkaniya ronahiyê ya mîhengbar bikar bîne da ku mîhengkirina frekansa optîkî bi dest bixe, ji ber vê yekê performansa çavkaniya lazerê faktorên sereke yên wekî rêjeya tespîtkirina OFDR, hesasiyet û çareseriyê diyar dike. Dema ku dûrahiya xala refleksê nêzîkî dirêjahiya hevgirtinê be, şîdeta sînyala lêdanê dê bi katsayiya τ/τc bi awayekî eksponansiyel kêm bibe. Ji bo çavkaniyek ronahiyê ya Gaussian bi şiklek spektral, ji bo ku frekansa lêdanê ji %90 zêdetir dîtin hebe, têkiliya di navbera firehiya xeta çavkaniya ronahiyê û dirêjahiya herî zêde ya hestiyariyê de ku pergal dikare bi dest bixe Lmax~0.04vg/f e, ku tê vê wateyê ku ji bo fîberek bi dirêjahiya 80 km, firehiya xeta çavkaniya ronahiyê ji 100 Hz kêmtir e. Wekî din, pêşkeftina sepanên din jî hewcedariyên bilindtir ji bo firehiya xeta çavkaniya ronahiyê pêşkêş kirin. Mînakî, di pergala hîdrofona fîbera optîkî de, firehiya xeta çavkaniya ronahiyê dengê pergalê diyar dike û her weha sînyala pîvandî ya herî kêm a pergalê diyar dike. Di reflektora qada dema optîkî ya Brillouin (BOTDR) de, çareseriya pîvandina germahî û stresê bi giranî ji hêla firehiya xeta çavkaniya ronahiyê ve tê destnîşankirin. Di jîroyeke fîber optîk a rezonator de, dirêjahiya hevgirtinê ya pêla ronahiyê dikare bi kêmkirina firehiya xeta çavkaniya ronahiyê were zêdekirin, bi vî rengî ziravî û kûrahiya rezonansê ya rezonatorê baştir dibe, firehiya xeta rezonatorê kêm dibe, û rastbûna pîvandinê ya jîroyeke fîber optîk misoger dibe.
1.2 Pêdiviyên ji bo çavkaniyên lazerê yên sweep
Lazera şopandina dirêjahiya pêlê ya yekane xwedî performansa mîhengkirina dirêjahiya pêlê ya nerm e, dikare şûna lazerên dirêjahiya pêlê yên sabît ên derketinê bigire, lêçûna avakirina pergalê kêm bike, beşek girîng a pergala hestiyariya fîbera optîkî ye. Mînakî, di hestiyariya fîbera gaza şopê de, celebên cûda yên gazan xwedî lûtkeyên cûda yên vegirtina gazê ne. Ji bo ku dema ku gaza pîvandinê têr be, bandora vegirtina ronahiyê were misoger kirin û hesasiyeta pîvandinê ya bilindtir were bidestxistin, pêdivî ye ku dirêjahiya pêlê ya çavkaniya ronahiya veguhastinê bi lûtkeya vegirtina molekula gazê re were hevrêz kirin. Cureyê gazê ku dikare were tespît kirin bi bingehîn bi dirêjahiya pêlê ya çavkaniya ronahiya hestiyar ve tê destnîşankirin. Ji ber vê yekê, lazerên firehiya xeta teng bi performansa mîhengkirina dirêjahiya fireh a stabîl di pergalên hestiyariyê yên weha de xwedî nermbûna pîvandinê ya bilindtir in. Mînakî, di hin pergalên hestiyariya fîbera optîkî ya belavkirî de ku li ser bingeha refleksa qada frekansa optîkî ye, lazer hewce dike ku bi lez û bez bi periyodîk were şopandin da ku tespîtkirin û demodulasyona hevgirtî ya rastbûna bilind a sînyalên optîkî bi dest bixe, ji ber vê yekê rêjeya modûlasyonê ya çavkaniya lazerê hewcedariyên nisbeten bilind hene, û leza şopandina lazera verastkirî bi gelemperî hewce ye ku bigihîje 10 pm/μs. Herwiha, lazera firehiya xeta teng a mîhengkirina dirêjahiya pêlê dikare di liDAR, dûrhestkirina lazer û analîza spektral a çareseriya bilind û warên din ên hesaskirinê de jî bi berfirehî were bikar anîn. Ji bo ku hewcedariyên parametreyên performansa bilind ên bandwidtha mîhengkirinê, rastbûna mîhengkirinê û leza mîhengkirinê ya lazerên yek-dirêjahiya pêlê di warê hesaskirina fîberê de werin bicîhanîn, armanca giştî ya lêkolîna lazerên fîbera teng-firehiya mîhengkirinê di salên dawî de ev e ku li ser bingeha şopandina firehiya xeta lazerê ya pir teng, dengê qonaxa pir kêm, û frekans û hêza derketinê ya pir-stabîl, mîhengkirina rastbûna bilind di rêzek dirêjahiya pêlê ya mezintir de were bidestxistin.
1.3 Daxwaza çavkaniya ronahiya lazerê spî
Di warê hesasiyeta optîkî de, lazera ronahiya spî ya bi kalîte bilind ji bo baştirkirina performansa pergalê girîng e. Her ku firehiya spektrumê ya lazera ronahiya spî firehtir be, sepandina wê di pergala hesasiyeta fîbera optîkî de berfirehtir dibe. Mînakî, dema ku gratinga fîber Bragg (FBG) ji bo avakirina toreke sensoran tê bikar anîn, analîza spektral an rêbaza hevahengkirina fîltera mîhengkirî dikare ji bo demodulasyonê were bikar anîn. Ya berê spektrometreyek bikar anî da ku rasterast her dirêjahiya pêlê ya rezonansa FBG di torê de biceribîne. Ya paşîn fîlterek referansê bikar tîne da ku FBG di hesasiyetê de bişopîne û kalibr bike, ku her du jî çavkaniyek ronahiya fireband wekî çavkaniyek ronahiya ceribandinê ji bo FBG hewce dikin. Ji ber ku her tora gihîştina FBG dê windahiyek danînê ya diyarkirî hebe, û bandfirehiya wê ji 0.1 nm zêdetir be, demodulasyona hevdem a gelek FBG çavkaniyek ronahiya fireband bi hêz û bandfirehiya bilind hewce dike. Bo nimûne, dema ku gratinga fîbera demdirêj (LPFG) ji bo hesaskirinê tê bikar anîn, ji ber ku firehiya bandê ya lûtkeya windabûnê ya yekane bi rêza 10 nm ye, çavkaniyek ronahiyê ya spektruma fireh bi firehiya bandê ya têr û spektrumek nisbeten fireh hewce ye ku taybetmendiyên lûtkeya rezonansê bi awayekî rast diyar bike. Bi taybetî, gratinga fîbera akustîk (AIFG) ku bi karanîna bandora akusto-optîkî hatî çêkirin dikare bi rêya mîhengkirina elektrîkê rêjeyek mîhengkirina dirêjahiya pêlê ya rezonansê heya 1000 nm bi dest bixe. Ji ber vê yekê, ceribandina gratinga dînamîk bi rêjeyek mîhengkirina wusa ultra-fireh ji bo rêjeya bandê ya çavkaniyek ronahiyê ya spektruma fireh dijwariyek mezin çêdike. Bi heman awayî, di salên dawî de, gratinga fîbera Bragg a xwar jî di warê hesaskirina fîberê de bi berfirehî hatiye bikar anîn. Ji ber taybetmendiyên spektruma windabûna pir-lûtkeyê, rêjeya belavkirina dirêjahiya pêlê bi gelemperî dikare bigihîje 40 nm. Mekanîzmaya wê ya hesaskirinê bi gelemperî berawirdkirina tevgera nisbî di navbera gelek lûtkeyên veguheztinê de ye, ji ber vê yekê pêdivî ye ku spektruma veguheztina wê bi tevahî were pîvandin. Pêdivî ye ku bandwidth û hêza çavkaniya ronahiyê ya spektruma fireh bilindtir be.
2. Rewşa lêkolînê li welat û derveyî welat
2.1 Çavkaniya ronahiya lazerê ya firehiya xêza teng
2.1.1 Lazera bersivê ya belavkirî ya nîvconductor a bi firehiya xêza teng
Di sala 2006an de, Cliche û hevkarên wî pîvana MHz a nîvconductor kêm kirin.Lazera DFB(lazera bersiva belavkirî) bi pîvana kHz bi karanîna rêbaza bersiva elektrîkê; Di sala 2011an de, Kessler û hevkarên wî valahiya krîstala yekane ya germahiya nizm û aramiya bilind bi kontrola bersiva çalak re bikar anîn da ku derana lazerê ya firehiya xêza ultra-teng a 40 MHz bi dest bixin; Di sala 2013an de, Peng û hevkarên wî derana lazerê nîvconductor bi firehiya xêza 15 kHz bi karanîna rêbaza verastkirina bersiva derveyî ya Fabry-Perot (FP) bi dest xistin. Rêbaza bersiva elektrîkê bi giranî bersiva stabîlîzasyona frekansa Pond-Drever-Hall bikar anî da ku firehiya xêza lazerê ya çavkaniya ronahiyê kêm bike. Di sala 2010an de, Bernhardi û hevkarên wî 1 cm alumina FBG ya bi erbium-dopkirî li ser substratek oksîda silîkonê hilberandin da ku derana lazerê bi firehiya xêza dora 1.7 kHz bi dest bixin. Di heman salê de, Liang û hevkarên wî... bersiva xwe-derzîkirinê ya belavbûna paşverû ya Rayleigh ku ji hêla rezonatorek dîwarê dengvedana Q-ya bilind ve ji bo kompresasyona firehiya xêza lazera nîvconductor ve hatî çêkirin, wekî ku di Şekil 1 de tê xuyang kirin, bikar anî, û di dawiyê de derana lazerê ya firehiya xêza teng a 160 Hz bi dest xist.
Wêne 1 (a) Diyagrama pêçandina firehiya xeta lazera nîvconductor li ser bingeha belavbûna Rayleigh a xwe-derzîkirinê ya rezonatora moda galeriya fısıltî ya derveyî;
(b) Spektuma frekansê ya lazera nîvconductor a azad-baz bi firehiya xêza 8 MHz;
(c) Spektûreya frekansê ya lazerê bi firehiya xêza ku heta 160 Hz hatiye pêçandin
2.1.2 Lazera fîberê ya firehiya xêza teng
Ji bo lazerên fîbera kavîl a xêzikî, derana lazera firehiya xêza teng a moda dirêjahî ya yekane bi kurtkirina dirêjahiya rezonatorê û zêdekirina navbera moda dirêjahî tê bidestxistin. Di sala 2004an de, Spiegelberg û hevkarên wî derana lazera firehiya xêza teng a moda dirêjahî ya yekane bi firehiya xêza 2 kHz bi karanîna rêbaza kavîl a kurt a DBR bi dest xistin. Di sala 2007an de, Shen û hevkarên wî fîberek silîkonê ya 2 cm bi giranî dopkirî ya erbium bikar anîn da ku FBG li ser fîberek fotosensîtîv a hev-dopkirî ya Bi-Ge binivîsin, û ew bi fîberek çalak re kirin yek da ku kavîlek xêzikî ya kompakt çêbike, ku firehiya xeta derana lazerê ya wê ji 1 kHz kêmtir kir. Di sala 2010an de, Yang û hevkarên wî kavîlek xêzikî ya kurt a 2 cm bi pir dopkirî bi fîlterek FBG ya tengbend re bikar anîn da ku derana lazera moda dirêjahî ya yekane bi firehiya xêza kêmtir ji 2 kHz bi dest bixin. Di sala 2014an de, tîmê valahiyek xêzikî ya kurt (rezonatora zengila pêçayî ya virtual) bi fîlterek FBG-FP re bikar anî da ku derana lazerê bi firehiya xêzek tengtir bi dest bixe, wekî ku di Wêne 3 de tê xuyang kirin. Di sala 2012an de, Cai û hevkarên wî avahiyek valahiyek kurt a 1.4 cm bikar anîn da ku derana lazerê ya polarîze bi hêzek deranê ji 114 mW mezintir, dirêjahiya pêlê ya navendî ya 1540.3 nm, û firehiya xêzê 4.1 kHz bi dest bixin. Di sala 2013an de, Meng û hevkarên wî belavbûna Brillouin a fîbera dopîngkirî ya erbiumê bi valahiyek zengilî ya kurt a amûrek parastina xeletiya tevahî bikar anîn da ku derana lazerê ya denga nizm a moda yek-dirêjahî, bi hêza deranê ya 10 mW bi dest bixin. Di sala 2015an de, tîmê valahiyek zengilî ya ji fîbera dopîngkirî ya erbiumê ya 45 cm pêk tê wekî navgîniya qezenckirina belavbûna Brillouin bikar anî da ku derana lazerê ya eşika nizm û firehiya xêzê ya teng bi dest bixe.
Şekil 2 (a) Nexşeya şematîk a lazera fîberê ya SLC;
(b) Şêweya xêza sînyala heterodînê ku bi derengiya fîberê ya 97.6 km hatiye pîvandin
Dema weşandinê: 20ê Mijdarê-2023