Lazer çeşme tehnologiýasyoptiki süýümduýmak Birinji Bölüm
Optiki süýüm duýujy tehnologiýa optiki süýüm tehnologiýasy we optiki süýüm aragatnaşyk tehnologiýasy bilen bilelikde işlenip düzülen duýujy tehnologiýanyň bir görnüşidir we fotoelektrik tehnologiýasynyň iň işjeň şahalarynyň birine öwrüldi. Optiki süýüm duýujy ulgamy esasan lazerden, geçiriji süýümden, duýujy elementden ýa-da modulýasiýa zolagyndan, ýagtylygy anyklaýyşdan we beýleki böleklerden ybarat. Ýagtylyk tolkunynyň häsiýetlerini beýan edýän parametrlere intensiwlik, tolkun uzynlygy, faza, polýarizasiýa ýagdaýy we ş.m. girýär. Bu parametrler optiki süýümiň geçirilmeginde daşarky täsirler bilen üýtgedilip bilner. Mysal üçin, temperatura, dartgynlyk, basyş, tok, süýşme, titreme, aýlanma, egilme we himiki mukdaryň optik ýola täsir etmegi bilen bu parametrler degişlilikde üýtgeýär. Optiki süýüm duýujylygy degişli fiziki mukdary anyklamak üçin bu parametrler bilen daşarky faktorlaryň arasyndaky gatnaşyga esaslanýar.
Köp görnüşleri barlazer çeşmesioptiki süýümli duýujy ulgamlarda ulanylýar, olary iki kategoriýa bölüp bolýar: kogerentlazer çeşmeleriwe düşnüksiz ýagtylyk çeşmeleri, düşnüksizýagtylyk çeşmeleriesasan, gyzdyryjy çyralary we çyra çykarýan diodlary öz içine alýar, şeýle hem kogerent çyra çeşmelerine gaty lazerler, suwuk lazerler, gaz lazerleri,ýarymýarym lazerwesüýümli lazerAşakdakylar esasan üçinlazer şöhle çeşmesisoňky ýyllarda süýüm duýmak ulgamynda giňden ulanylýar: dar çyzyk giňligindäki bir ýygylykly lazer, bir tolkun uzynlygyndaky süpürme ýygylykly lazer we ak lazer.
1.1 Dar çyzyk giňligi üçin talaplarlazer şöhle çeşmeleri
Optiki süýümli duýujy ulgamy lazer çeşmesinden aýryp bolmaýar, sebäbi ölçenen signal daşaýjysynyň ýagtylyk tolkunynyň, lazer şöhle çeşmesiniň öz işiniň netijeliligi, meselem, güýç durnuklylygy, lazer liniýasynyň giňligi, faza şowhuny we optiki süýümli duýujy ulgamyň anyklaýyş aralygy, anyklaýyş takyklygy, duýgurlyk we şowhun häsiýetnamalary ýaly beýleki parametrler möhüm rol oýnaýar. Soňky ýyllarda uzak aralykly ultra ýokary çözgütli optiki süýümli duýujy ulgamlaryň ösmegi bilen akademiýa we senagat lazeriň kiçileşdirilmeginiň liniýasynyň netijeliligi üçin has berk talaplary öňe sürýärler, esasan: optiki ýygylyk domeniniň şöhlelenmesi (OFDR) tehnologiýasy ýygylyk domenindäki optiki süýümleriň arka şöhle saçýan signallaryny seljermek üçin kogerent anyklaýyş tehnologiýasyny ulanýar, giň örtük bilen (müňlerçe metr). Ýokary çözgütliligiň (millimetr derejesindäki çözgüt) we ýokary duýgurlygyň (-100 dBm çenli) artykmaçlyklary paýlanan optiki süýümi ölçemek we duýmak tehnologiýasynda giň ulanylyş mümkinçiliklerine eýe bolan tehnologiýalaryň birine öwrüldi. OFDR tehnologiýasynyň esasy maksady optiki ýygylyk sazlamasyny amala aşyrmak üçin sazlanyp bilýän ýagtylyk çeşmesini ulanmakdyr, şonuň üçin lazer çeşmesiniň netijeliligi OFDR anyklaýyş diapazony, duýgurlyk we çözgüt ýaly esasy faktorlary kesgitleýär. Şöhlelenme nokadynyň aralygy kogerentlik uzynlygyna golaý bolanda, urgy signalynyň intensiwligi τ/τc koeffisiýenti bilen eksponensial taýdan gowşar. Spektral görnüşli Gauss ýagtylyk çeşmesi üçin, urgy ýygylygynyň 90% -den gowrak görünmegini üpjün etmek üçin, ýagtylyk çeşmesiniň çyzyk giňligi bilen ulgamyň ýetip biljek iň ýokary duýgy uzynlygynyň arasyndaky gatnaşyk Lmax~0.04vg/f bolup, bu 80 km uzynlygy bolan süýüm üçin ýagtylyk çeşmesiniň çyzyk giňliginiň 100 Gs-den azdygyny aňladýar. Mundan başga-da, beýleki ulanylyşlaryň işlenip düzülmegi hem ýagtylyk çeşmesiniň çyzyk giňligine has ýokary talaplary öňe sürýär. Mysal üçin, optik süýümli gidrofon ulgamynda ýagtylyk çeşmesiniň çyzyk giňligi ulgamyň şowhunyny kesgitleýär we ulgamyň iň pes ölçelip bilinýän signalyny hem kesgitleýär. Brillouen optiki wagt domeni şöhlelendirijisinde (BOTDR) temperatura we dartgynlygyň ölçeg çözgüdi esasan ýagtylyk çeşmesiniň çyzyk giňligi bilen kesgitlenýär. Rezonatorly süýümli optik girosunda, ýagtylyk çeşmesiniň çyzyk giňligini azaltmak arkaly ýagtylyk tolkunynyň kogerentlik uzynlygyny artdyryp bolýar, şeýdip rezonatoryň inçeligini we rezonans çuňlugyny gowulandyryp, rezonatoryň çyzyk giňligini azaldyp we süýümli optik girosunyň ölçeg takyklygyny üpjün edip bolýar.
1.2 Süpüriji lazer çeşmeleri üçin talaplar
Bir tolkun uzynlykdaky süpüriji lazer çeýe tolkun uzynlyklaryny sazlamak ukybyna eýedir, köp çykyşly sabit tolkun uzynlykdaky lazerleriň ornuny tutup biler, ulgamyň gurluşygynyň çykdajylaryny azaldyp biler, optiki süýüm duýujy ulgamynyň aýrylmaz bölegidir. Mysal üçin, gaz süýümini duýujylykda dürli görnüşli gazlaryň gaz siňdiriş pikleri dürli bolýar. Ölçeg gazy ýeterlik bolanda ýagtylygyň siňdiriş netijeliligini üpjün etmek we has ýokary ölçeg duýgurlygyna ýetmek üçin, geçirijilik ýagtylyk çeşmesiniň tolkun uzynlygyny gaz molekulasynyň siňdiriş pikine deňleşdirmek zerurdyr. Anyklanyp bilinýän gazyň görnüşi, esasan, duýujy ýagtylyk çeşmesiniň tolkun uzynlygy bilen kesgitlenýär. Şonuň üçin, durnukly giň zolakly sazlamak ukyby bolan dar çyzyk giňlikdäki lazerler şeýle duýujy ulgamlarda has ýokary ölçeg çeýeligine eýedir. Mysal üçin, optiki ýygylyk domeniniň şöhlelenmesine esaslanýan käbir paýlanan optiki süýüm duýujy ulgamlarda, optiki signallaryň ýokary takyklykly kogerent anyklanyşyny we demodulýasiýasyny gazanmak üçin lazeri çalt döwürleýin süpürmek gerek, şonuň üçin lazer çeşmesiniň modulýasiýa tizligi deňeşdirme boýunça ýokary talaplara eýedir we sazlanyp bilinýän lazeriň süpüriş tizligi adatça 10 pm/μs ýetmegi talap edilýär. Mundan başga-da, tolkun uzynlygyny sazlap bolýan dar çyzyk giňligi lazeri liDAR, lazer uzakdan duýdurmak we ýokary çözgütli spektral analizde we beýleki duýujy ugurlarda hem giňden ulanylyp bilner. Süýüm duýujylyk ulgamynda bir tolkun uzynlygyndaky lazerleriň sazlama zolagynyň giňliginiň, sazlama takyklygynyň we sazlama tizliginiň ýokary öndürijilik parametrleriniň talaplaryna laýyk gelmek üçin, soňky ýyllarda sazlap bolýan dar çyzykly süýümli lazerleri öwrenmegiň umumy maksady ultra dar lazer çyzyk giňligini, ultra pes fazaly şowhuny we ultra durnukly çykyş ýygylygyny we kuwwatyny yzarlamak esasynda has uly tolkun uzynlygy aralygynda ýokary takyk sazlamaga ýetmekdir.
1.3 Ak lazer şöhle çeşmesine bolan isleg
Optiki duýgy ulgamynda ýokary hilli ak ýagtylyk lazeri ulgamyň işini gowulandyrmak üçin uly ähmiýete eýedir. Ak ýagtylyk lazeriniň spektr örtügi näçe giň bolsa, onuň optiki süýüm duýgy ulgamynda ulanylyşy şonça-da giňdir. Mysal üçin, sensor ulgamyny gurmak üçin süýümli Bragg toruny (FBG) ulananda, demodulýasiýa üçin spektral analiz ýa-da sazlanyp bilýän süzgüç deňeşdirme usuly ulanylyp bilner. Birinjisi tordaky her bir FBG rezonans tolkun uzynlygyny gönüden-göni barlamak üçin spektrometr ulandy. Ikinjisi bolsa, duýgydaky FBG-ni yzarlamak we kalibrlemek üçin salgylanma süzgüjini ulanýar, ikisi hem FBG üçin synag yşyk çeşmesi hökmünde giň zolakly ýagtylyk çeşmesini talap edýär. Her bir FBG giriş ulgamynda belli bir girizme ýitgisi boljakdygy we geçirijilik zolagy 0,1 nm-den köp bolýandygy sebäpli, birnäçe FBG-niň bir wagtda demodulýasiýasy ýokary kuwwatly we ýokary geçirijilik zolagy bolan giň zolakly ýagtylyk çeşmesini talap edýär. Mysal üçin, duýmak üçin uzak döwürli süýümli tor (LPFG) ulanylanda, bir ýitgi pikiniň geçirijilik ukyby 10 nm töweregi bolany üçin, onuň rezonans pik häsiýetlerini takyk häsiýetlendirmek üçin ýeterlik geçirijilik ukyby we deňeşdirme boýunça tekiz spektrli giň spektrli ýagtylyk çeşmesi gerek bolýar. Hususan-da, akusto-optiki täsiri ulanmak arkaly gurlan akustik süýümli tor (AIFG) elektrik sazlamasy arkaly 1000 nm-e çenli rezonans tolkun uzynlygynyň sazlama diapazonyna ýetip biler. Şonuň üçin şeýle giň sazlama diapazony bilen dinamiki tor synagy giň spektrli ýagtylyk çeşmesiniň geçirijilik ukyby diapazony üçin uly kynçylyk döredýär. Şonuň ýaly-da, soňky ýyllarda egri Bragg süýümli tor hem süýümli duýmak ulgamynda giňden ulanylýar. Köp pikli ýitgi spektr häsiýetleri sebäpli tolkun uzynlygynyň paýlanyş diapazony adatça 40 nm-e ýetip biler. Onuň duýmak mehanizmi adatça birnäçe geçirijilik pikleriniň arasyndaky deňeşdirme hereketini deňeşdirmekdir, şonuň üçin onuň geçirijilik spektrini doly ölçemek zerurdyr. Giň spektrli ýagtylyk çeşmesiniň geçirijilik ukybynyň we kuwwatynyň has ýokary bolmagy talap edilýär.
2. Öýde we daşary ýurtlarda ylmy-barlag işleriniň ýagdaýy
2.1 Dar çyzyk giňligindäki lazer şöhle çeşmesi
2.1.1 Dar çyzyk giňligindäki ýarymgeçiriji paýlanan teselli lazer
2006-njy ýylda Klişe we beýlekiler ýarymgeçirijileriň MHz ölçegini azalddylar.DFB lazeri(paýlanan teselli lazer) elektrik teselli usuly arkaly kHz ölçegine; 2011-nji ýylda Kessler we beýlekiler 40 MGs ultra dar çyzyk giňligindäki lazer çykyşyny almak üçin pes temperaturaly we ýokary durnuklylykly birkristal boşlugyny işjeň teselli dolandyryş bilen birleşdirip ulandylar; 2013-nji ýylda Peng we beýlekiler daşarky Fabry-Perot (FP) teselli sazlama usulyny ulanyp, 15 kHz çyzyk giňligindäki ýarymgeçiriji lazer çykyşyny aldylar. Elektrik teselli usuly, esasan, ýagtylyk çeşmesiniň lazer çyzyk giňligini azaltmak üçin Pond-Drever-Hall ýygylyk durnuklaşdyryjy tesellisini ulandy. 2010-njy ýylda Bernhardi we beýlekiler takmynan 1,7 kHz çyzyk giňligindäki lazer çykyşyny almak üçin kremniý oksidi substratynda 1 sm erbiý bilen goşulan alýumin oksidi FBG öndürdiler. Şol ýyl Liang we beýlekiler... 1-nji suratda görkezilişi ýaly, ýarymgeçirijili lazer liniýasynyň giňligini gysmak üçin ýokary Q ýaňlanma diwar rezonatory tarapyndan emele getirilen Reýliniň yza serpikdirilmeginiň öz-özüne inýeksiýa jogabyny ulandy we ahyrsoňy 160 Hz dar liniýasynyň giňligini lazer çykyşyny aldy.
Şekil 1 (a) Daşarky pyşyrdaýan galereýa režimi rezonatorynyň öz-özüne inýeksiýa Reýli saçylmasyna esaslanýan ýarymgeçirijili lazeriň çyzyk giňliginiň gysylyşynyň diagrammasy;
(b) 8 MGs çyzyk giňligi bilen erkin işleýän ýarymgeçiriji lazeriň ýygylyk spektri;
(c) 160 Gts çenli gysylan çyzyk giňligi bilen lazeriň ýygylyk spektri
2.1.2 Dar çyzykly süýümli lazer
Çyzykly boşluk süýümli lazerler üçin, ýeke uzynlykly režimiň dar çyzyk giňligindäki lazer çykyşy rezonatoryň uzynlygyny gysgaltmak we uzynlykly režim aralygyny köpeltmek arkaly alynýar. 2004-nji ýylda Spiegelberg we beýlekiler DBR gysga boşluk usulyny ulanyp, 2 kHz çyzyk giňligindäki bir uzynlykly režimli dar çyzyk giňligindäki lazer çykyşyny aldylar. 2007-nji ýylda Şen we beýlekiler Bi-Ge bilelikde goşulan fotosensitiw süýüme FBG ýazmak üçin 2 sm agyr erbiý bilen goşulan kremniý süýümini ulandylar we ony işjeň süýüm bilen birleşdirip, ykjam çyzykly boşluk emele getirdiler, onuň lazer çykyş çyzyk giňligini 1 kHz-den az etdiler. 2010-njy ýylda Ýaň we beýlekiler 2 kHz-den az çyzyk giňligindäki bir uzynlykly režimli lazer çykyşyny almak üçin 2 sm ýokary derejede goşulan gysga çyzykly boşlugy dar zolakly FBG süzgüji bilen birleşdirdiler. 2014-nji ýylda topar 3-nji suratda görkezilişi ýaly, has dar çyzyk giňligi bolan lazer çykyşyny almak üçin FBG-FP süzgüji bilen birleşdirilen gysga çyzyk boşlugyny (wirtual gatlanan halka rezonator) ulandy. 2012-nji ýylda Cai we beýlekiler 114 mW-dan ýokary çykyş güýji, 1540,3 nm merkezi tolkun uzynlygy we 4,1 kHz çyzyk giňligi bolan polýarizasiýa lazer çykyşyny almak üçin 1,4 sm gysga boşluk gurluşyny ulandylar. 2013-nji ýylda Meng we beýlekiler 10 mW çykyş güýji bolan bir uzynlykly režimli, pes fazaly şowhunly lazer çykyşyny almak üçin doly gyşarnykly saklaýjy enjamyň gysga halka boşlugy bilen erbiý bilen goşulan süýümiň Brillouin saçylmasyny ulandylar. 2015-nji ýylda topar pes bosaga we dar çyzyk giňligindäki lazer çykyşyny almak üçin Brillouin saçylma güýçlendirme serişdesi hökmünde 45 sm erbiý bilen goşulan süýümden düzülen halka boşlugyny ulandy.
Şekil 2 (a) SLC süýümli lazeriň shematiki çyzgysy;
(b) 97,6 km süýümli gijikme bilen ölçenen geterodin signalynyň çyzyk görnüşi
Ýerleşdirilen wagty: 20-nji noýabr, 2023