Лазер чыганагы технологиясеоптик җепселБеренче өлешне сизү
Оптик җепселле сенсор технологиясе - оптик җепселле технология һәм оптик җепселле элемтә технологиясе белән бергә эшләнгән сенсор технологиясенең бер төре, һәм ул фотоэлектрик технологиянең иң актив тармакларының берсенә әйләнде. Оптик җепселле сенсор системасы, нигездә, лазер, тапшыру җепселләре, сенсор элементы яки модуляция өлкәсе, яктылыкны ачыклау һәм башка өлешләрдән тора. Яктылык дулкынының үзенчәлекләрен тасвирлаучы параметрларга интенсивлык, дулкын озынлыгы, фаза, поляризация халәте һ.б. керә. Бу параметрлар оптик җепселле тапшыруда тышкы йогынтылар белән үзгәрергә мөмкин. Мәсәлән, температура, деформация, басым, ток, күчү, тибрәнү, әйләнү, бөкләнү һәм химик күләм оптик юлга тәэсир иткәндә, бу параметрлар тиешенчә үзгәрә. Оптик җепселле сенсор тиешле физик күләмнәрне ачыклау өчен бу параметрлар һәм тышкы факторлар арасындагы бәйләнешкә нигезләнә.
Күп төрләре барлазер чыганагыоптик җепселле сенсор системаларында кулланыла, аларны ике категориягә бүлеп була: когерентлазер чыганакларыһәм бәйләнешсез яктылык чыганаклары, бәйләнешсезяктылык чыганакларынигездә, кыздыру яктылык һәм яктылык чыгаручы диодларны үз эченә ала, ә когерент яктылык чыганакларына каты лазерлар, сыек лазерлар, газ лазерлары керә,ярымүткәргеч лазерһәмҗепсел лазерТүбәндәгеләр, нигездә, ... өчен.лазер яктылык чыганагысоңгы елларда җепселле сенсор өлкәсендә киң кулланыла: тар сызык киңлегендәге бер ешлыклы лазер, бер дулкын озынлыгындагы себерү ешлыклы лазер һәм ак лазер.
1.1 Тар сызык киңлегенә таләпләрлазер яктылык чыганаклары
Оптик җепселле сенсор системасын лазер чыганагыннан аерып булмый, чөнки үлчәнгән сигнал ташучы яктылык дулкыны, лазер яктылык чыганагының үзенең эшчәнлеге, мәсәлән, көч тотрыклылыгы, лазер линия киңлеге, фаза шау-шу һәм оптик җепселле сенсор системасында башка параметрлар, ачыклау ераклыгы, ачыклау төгәллеге, сизгерлек һәм шау-шу үзенчәлекләре хәлиткеч роль уйный. Соңгы елларда, ерак арадагы ультра югары ачыклыклы оптик җепселле сенсор системалары үсеше белән, академия һәм сәнәгать лазер миниатюризациясенең линия киңлеге эшчәнлегенә карата катгыйрак таләпләр куйды, нигездә: оптик ешлык өлкәсен чагылдыру (OFDR) технологиясе ешлык өлкәсендәге оптик җепселләрнең арткы нурлы таралган сигналларын анализлау өчен когерент ачыклау технологиясен куллана, киң колачлы (меңләгән метр). Югары ачыклык (миллиметр дәрәҗәсендәге ачыклык) һәм югары сизгерлек (-100 дБм га кадәр) өстенлекләре таратылган оптик җепселле үлчәү һәм сизү технологиясендә киң куллану перспективалары булган технологияләрнең берсенә әйләнде. OFDR технологиясенең төп максаты - оптик ешлыкны көйләүгә ирешү өчен көйләнә торган яктылык чыганагын куллану, шуңа күрә лазер чыганагының эшчәнлеге OFDR ачыклау диапазоны, сизгерлек һәм ачыклык кебек төп факторларны билгели. Чагылу ноктасы арасы когерентлык озынлыгына якын булганда, ритм сигналының интенсивлыгы τ/τc коэффициенты белән экспоненциаль рәвештә кимиячәк. Спектраль формадагы Гаусс яктылык чыганагы өчен, ритм ешлыгының 90% тан артык күренүчәнлеген тәэмин итү өчен, яктылык чыганагының сызык киңлеге һәм система ирешә алырлык максималь сизү озынлыгы арасындагы бәйләнеш Lmax~0.04vg/f тәшкил итә, бу 80 км озынлыктагы җепсел өчен яктылык чыганагының сызык киңлеге 100 Гц тан кимрәк дигәнне аңлата. Моннан тыш, башка кушымталарның эшләнеше дә яктылык чыганагының сызык киңлегенә югарырак таләпләр куя. Мәсәлән, оптик җепселле гидрофон системасында яктылык чыганагының сызык киңлеге система шау-шуын билгели, шулай ук системаның минималь үлчәнә торган сигналын билгели. Бриллюэн оптик вакыт өлкәсе рефлекторында (BOTDR) температура һәм көчәнешне үлчәү чишелеше, нигездә, яктылык чыганагының сызык киңлеге белән билгеләнә. Резонаторлы оптик җепселле гироскопта яктылык дулкынының когерент озынлыгын яктылык чыганагының сызык киңлеген киметү юлы белән арттырырга мөмкин, шуның белән резонаторның нечкәлеген һәм резонанс тирәнлеген яхшырта, резонаторның сызык киңлеген киметә һәм оптик җепселле гироскопның үлчәү төгәллеген тәэмин итә.
1.2 Лазер чыганакларына таләпләр
Бер дулкын озынлыгындагы скважиналы лазер сыгылмалы дулкын озынлыгын көйләү сыйфатына ия, күп чыгышлы даими дулкын озынлыгы лазерларын алыштыра ала, система төзелеше бәясен киметә, оптик җепселле сенсор системасының аерылгысыз өлеше булып тора. Мәсәлән, изогаз җепселле сенсорда төрле газларның төрле газ сеңдерү пиклары була. Үлчәү газы җитәрлек булганда яктылык сеңдерү нәтиҗәлелеген тәэмин итү һәм югарырак үлчәү сизгерлегенә ирешү өчен, тапшыру яктылык чыганагының дулкын озынлыгын газ молекуласының сеңдерү пигы белән туры китерү кирәк. Детекторланырга мөмкин булган газ төре, нигездә, сизү яктылык чыганагының дулкын озынлыгы белән билгеләнә. Шуңа күрә, тотрыклы киң полосалы көйләү сыйфатына ия булган тар сызык киңлеге лазерлары мондый сенсор системаларында югарырак үлчәү сыгылмалылыгына ия. Мәсәлән, оптик ешлык өлкәсен чагылдыруга нигезләнгән кайбер таратылган оптик җепселле сенсор системаларында, оптик сигналларның югары төгәллекле когерент детекторлау һәм демодуляциясенә ирешү өчен, лазерны тиз арада скважиналарга кирәк, шуңа күрә лазер чыганагының модуляция тизлеге чагыштырмача югары таләпләргә ия, һәм көйләнергә мөмкин булган лазерның скважиналау тизлеге гадәттә 10 пм/мкс җитәргә тиеш. Моннан тыш, дулкын озынлыгын көйләү мөмкин булган тар сызык киңлеге лазерын liDAR, лазер дистанцион зондлау һәм югары ачыклыклы спектраль анализ һәм башка сизү өлкәләрендә дә киң кулланырга мөмкин. Җепсел сизү өлкәсендә бер дулкын озынлыгындагы лазерларның көйләү полосасы киңлеге, көйләү төгәллеге һәм көйләү тизлеге кебек югары нәтиҗәлелек параметрлары таләпләрен канәгатьләндерү өчен, соңгы елларда көйләү мөмкин булган тар киңлекле җепсел лазерларын өйрәнүнең гомуми максаты - ультра тар лазер сызык киңлеген, ультра түбән фазалы шау-шуны һәм ультра тотрыклы чыгу ешлыгын һәм көчен эзләү нигезендә зуррак дулкын озынлыгы диапазонында югары төгәллекле көйләүгә ирешү.
1.3 Ак лазер яктылык чыганагына ихтыяҗ
Оптик сизү өлкәсендә югары сыйфатлы ак яктылык лазеры системаның эшчәнлеген яхшырту өчен зур әһәмияткә ия. Ак яктылык лазерының спектр каплавы киңрәк булган саен, аның оптик җепсел сизү системасында кулланылышы да киңрәк. Мәсәлән, сенсор челтәрен төзү өчен җепсел Брэгг рәшәткәсен (FBG) кулланганда, демодуляция өчен спектр анализы яки көйләнерлек фильтр туры китерү ысулы кулланылырга мөмкин. Беренчесендә челтәрдәге һәр FBG резонанслы дулкын озынлыгын турыдан-туры тикшерү өчен спектрометр кулланылган. Икенчесендә сизүдә FBGны күзәтү һәм калибрлау өчен эталон фильтр кулланыла, икесе дә FBG өчен сынау яктылык чыганагы буларак киң полосалы яктылык чыганагын таләп итә. Һәр FBG керү челтәрендә билгеле бер кертү югалтуы булганга һәм 0,1 нм дан артык полоса киңлегенә ия булганга, берничә FBGны бер үк вакытта демодуляцияләү өчен югары куәтле һәм югары полоса киңлегенә ия киң полосалы яктылык чыганагы кирәк. Мәсәлән, сизү өчен озын периодлы җепсел рәшәткәсен (LPFG) кулланганда, бер югалту пигының полосасы 10 нм тирәсе булганлыктан, аның резонанс пик үзенчәлекләрен төгәл характерлау өчен җитәрлек полоса киңлегенә һәм чагыштырмача тигез спектрга ия киң спектрлы яктылык чыганагы кирәк. Аерым алганда, акустик-оптик эффект кулланып төзелгән акустик җепсел рәшәткәсе (AIFG) электр көйләү ярдәмендә 1000 нм га кадәр резонанс дулкын озынлыгын көйләү диапазонына ирешә ала. Шуңа күрә, мондый ультра киң көйләү диапазоны белән динамик рәшәткә сынау киң спектрлы яктылык чыганагының полоса диапазоны өчен зур кыенлыклар тудыра. Шулай ук, соңгы елларда авышкан Bragg җепсел рәшәткәсе дә җепсел сизү өлкәсендә киң кулланыла. Күп пиклы югалту спектры үзенчәлекләре аркасында, дулкын озынлыгы таралу диапазоны гадәттә 40 нм га җитә ала. Аның сизү механизмы гадәттә берничә тапшыру пиклары арасындагы чагыштырма хәрәкәтне чагыштырудан гыйбарәт, шуңа күрә аның тапшыру спектрын тулысынча үлчәү кирәк. Киң спектрлы яктылык чыганагының полоса киңлеге һәм көче югарырак булырга тиеш.
2. Үз илебездә һәм чит илләрдә тикшеренүләрнең торышы
2.1 Тар сызык киңлегендәге лазер яктылык чыганагы
2.1.1 Тар сызык киңлегендәге ярымүткәргечле таратылган кире элемтә лазеры
2006 елда Клише һ.б. ярымүткәргечнең МГц масштабын киметтеләр.DFB лазеры(таратылган кире элемтә лазеры) электр кире элемтә ысулын кулланып кГц масштабына кадәр; 2011 елда Кесслер һ.б. түбән температуралы һәм югары тотрыклылыклы монокристалл куышлыкны актив кире элемтә контроле белән берләштереп, 40 МГц ультра тар сызык киңлегендәге лазер чыгышын алдылар; 2013 елда Пен һ.б. тышкы Фабри-Перо (FP) кире элемтә көйләү ысулын кулланып, 15 кГц сызык киңлеге булган ярымүткәргеч лазер чыгышын алдылар. Электр кире элемтә ысулында, нигездә, яктылык чыганагының лазер сызык киңлеген киметү өчен Понд-Древер-Холл ешлык стабилизациясе кире элемтәсе кулланылды. 2010 елда Бернхарди һ.б. якынча 1,7 кГц сызык киңлегендәге лазер чыгышын алу өчен кремний оксиды субстратында 1 см эрбий белән кушылган алюминий оксиды FBG җитештерделәр. Шул ук елда Лян һ.б. 1 нче рәсемдә күрсәтелгәнчә, ярымүткәргеч лазерның сызык киңлегендәге кысуы өчен югары Q эхо стена резонаторы тарафыннан формалаштырылган кире Рейли таралуының үз-үзенә инъекция кире бәйләнешен кулланды һәм ниһаять, 160 Гц тар сызык киңлегендәге лазер чыгышын алды.
1 нче рәсем (а) Тышкы пышылдау галереясы режимындагы резонаторның үз-үзенә инъекцияләү Rayleigh таралуына нигезләнгән ярымүткәргеч лазер сызык киңлеген кысу схемасы;
(b) 8 МГц сызык киңлегендәге ирекле эшли торган ярымүткәргеч лазерның ешлык спектры;
(c) 160 Гц кадәр кысылган сызык киңлеге белән лазерның ешлык спектры
2.1.2 Тар сызык киңлегендәге җепсел лазер
Сызыклы куышлыклы җепсел лазерлар өчен, бер озынлык режимының тар сызык киңлегендәге лазер чыгышы резонаторның озынлыгын кыскарту һәм озынлык режим интервалын арттыру юлы белән алына. 2004 елда Шпигельберг һ.б. DBR кыска куышлык ысулын кулланып, 2 кГц сызык киңлеге белән бер озынлык режимындагы тар сызык киңлегендәге лазер чыгышын алдылар. 2007 елда Шен һ.б. Bi-Ge бергә кушылган фотосизгер җепселгә FBG язу өчен 2 см тирәнлектәге эрбий белән кушылган кремний җепселләрен кулландылар һәм аны актив җепсел белән кушып, компакт сызыклы куышлык формалаштырдылар, аның лазер чыгышы сызыгы киңлеген 1 кГц тан кимрәк иттеләр. 2010 елда Ян һ.б. 2 кГц тан кимрәк сызык киңлеге белән бер озынлык режимындагы лазер чыгышын алу өчен 2 см тирәнлектәге югары кушылган кыска сызыклы куышлыкны тар полосалы FBG фильтры белән берләштерделәр. 2014 елда команда 3 нче рәсемдә күрсәтелгәнчә, таррак сызык киңлеге белән лазер чыгышын алу өчен FBG-FP фильтры белән берләштерелгән кыска сызыклы куышлыкны (виртуаль бөкләнгән боҗралы резонатор) кулланды. 2012 елда Цай һ.б. 114 мВт тан артык чыгу көче, 1540,3 нм үзәк дулкын озынлыгы һәм 4,1 кГц сызык киңлеге белән поляризацияләүче лазер чыгышын алу өчен 1,4 см кыска куышлык структурасын кулланды. 2013 елда Менг һ.б. 10 мВт чыгу көче белән бер буйлы режимлы, түбән фазалы шау-шулы лазер чыгышын алу өчен тулы көчкә саклау җайланмасының кыска боҗралы куышлыгы белән эрбий белән кушылган җепселнең Бриллюэн сибелүен кулланды. 2015 елда команда түбән бусага һәм тар сызык киңлеге белән лазер чыгышын алу өчен Бриллюэн сибелү көчәйтү мохите буларак 45 см эрбий белән кушылган җепселдән торган боҗралы куышлыкны кулланды.
2 нче рәсем (а) SLC җепсел лазерының схемасы;
(b) 97,6 км җепсел тоткарлык белән үлчәнгән гетеродин сигналының сызык формасы
Бастырып чыгару вакыты: 2023 елның 20 ноябре