เทคโนโลยีแหล่งเลเซอร์สำหรับเส้นใยแก้วนำแสงการรับรู้ ตอนที่ 1
เทคโนโลยีการตรวจจับใยแก้วนำแสงเป็นเทคโนโลยีการตรวจจับชนิดหนึ่งที่พัฒนาควบคู่ไปกับเทคโนโลยีใยแก้วนำแสงและเทคโนโลยีการสื่อสารใยแก้วนำแสง และได้กลายเป็นหนึ่งในสาขาที่ใช้งานมากที่สุดของเทคโนโลยีโฟโตอิเล็กทริก ระบบการตรวจจับใยแก้วนำแสงประกอบด้วยเลเซอร์ เส้นใยส่งผ่าน องค์ประกอบการตรวจจับหรือพื้นที่การปรับ การตรวจจับแสง และส่วนอื่น ๆ พารามิเตอร์ที่อธิบายลักษณะของคลื่นแสง ได้แก่ ความเข้ม ความยาวคลื่น เฟส สถานะโพลาไรเซชัน เป็นต้น พารามิเตอร์เหล่านี้อาจเปลี่ยนแปลงได้จากอิทธิพลภายนอกในการส่งผ่านใยแก้วนำแสง ตัวอย่างเช่น เมื่ออุณหภูมิ ความเครียด แรงดัน กระแส การเคลื่อนตัว การสั่นสะเทือน การหมุน การดัดงอ และปริมาณสารเคมีส่งผลต่อเส้นทางแสง พารามิเตอร์เหล่านี้จะเปลี่ยนแปลงตามไปด้วย การตรวจจับใยแก้วนำแสงขึ้นอยู่กับความสัมพันธ์ระหว่างพารามิเตอร์เหล่านี้และปัจจัยภายนอกเพื่อตรวจจับปริมาณทางกายภาพที่สอดคล้องกัน
มีหลายประเภทแหล่งกำเนิดเลเซอร์ใช้ในระบบตรวจจับด้วยเส้นใยแก้วนำแสง ซึ่งสามารถแบ่งได้เป็น 2 ประเภท คือ แบบสอดคล้องแหล่งกำเนิดเลเซอร์และแหล่งกำเนิดแสงที่ไม่สอดคล้องกัน, ไม่สอดคล้องกันแหล่งกำเนิดแสงส่วนใหญ่ประกอบด้วยแสงหลอดไส้และไดโอดเปล่งแสง และแหล่งกำเนิดแสงที่สอดคล้องกัน ได้แก่ เลเซอร์แบบของแข็ง เลเซอร์แบบของเหลว เลเซอร์แบบก๊าซเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์และไฟเบอร์เลเซอร์. ต่อไปนี้เป็นหลักสำหรับแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการตรวจจับด้วยไฟเบอร์ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา: เลเซอร์ความถี่เดียวความกว้างเส้นแคบ เลเซอร์ความถี่กวาดความยาวคลื่นเดียว และเลเซอร์สีขาว
1.1 ข้อกำหนดสำหรับความกว้างเส้นที่แคบแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์
ระบบตรวจจับใยแก้วนำแสงไม่สามารถแยกออกจากแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ได้ เนื่องจากคลื่นแสงของตัวพาสัญญาณที่วัดได้ ประสิทธิภาพของแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์เอง เช่น ความเสถียรของพลังงาน ความกว้างของเส้นเลเซอร์ เฟสนอยส์ และพารามิเตอร์อื่นๆ ในระบบตรวจจับใยแก้วนำแสง ระยะการตรวจจับ ความแม่นยำในการตรวจจับ ความไว และลักษณะของสัญญาณรบกวนมีบทบาทสำคัญ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยการพัฒนาระบบตรวจจับใยแก้วนำแสงความละเอียดสูงพิเศษระยะไกล สถาบันการศึกษาและอุตสาหกรรมได้เสนอข้อกำหนดที่เข้มงวดยิ่งขึ้นสำหรับประสิทธิภาพความกว้างของเส้นของการย่อขนาดด้วยเลเซอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งใน: เทคโนโลยีการสะท้อนโดเมนความถี่แสง (OFDR) ใช้เทคโนโลยีการตรวจจับที่สอดคล้องกันในการวิเคราะห์สัญญาณที่กระจัดกระจายของใยแก้วนำแสงในโดเมนความถี่โดยครอบคลุมพื้นที่กว้าง (หลายพันเมตร) ข้อดีของความละเอียดสูง (ความละเอียดระดับมิลลิเมตร) และความไวสูง (สูงถึง -100 dBm) ได้กลายเป็นเทคโนโลยีที่มีแนวโน้มการใช้งานอย่างกว้างขวางในเทคโนโลยีการวัดและการตรวจจับใยแก้วนำแสงแบบกระจาย แกนหลักของเทคโนโลยี OFDR คือการใช้แหล่งกำเนิดแสงที่ปรับได้เพื่อให้เกิดการปรับความถี่ออปติคอล ดังนั้นประสิทธิภาพของแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์จึงกำหนดปัจจัยสำคัญ เช่น ระยะการตรวจจับ OFDR ความไว และความละเอียด เมื่อระยะจุดสะท้อนใกล้เคียงกับความยาวความสอดคล้อง ความเข้มของสัญญาณบีตจะลดลงแบบเอ็กซ์โพเนนเชียลโดยสัมประสิทธิ์ τ/τc สำหรับแหล่งกำเนิดแสงแบบเกาส์เซียนที่มีรูปร่างสเปกตรัม เพื่อให้แน่ใจว่าความถี่บีตมีความชัดเจนมากกว่า 90% ความสัมพันธ์ระหว่างความกว้างของเส้นของแหล่งกำเนิดแสงและความยาวการรับรู้สูงสุดที่ระบบสามารถทำได้คือ Lmax~0.04vg/f ซึ่งหมายความว่าสำหรับไฟเบอร์ที่มีความยาว 80 กม. ความกว้างของเส้นของแหล่งกำเนิดแสงจะน้อยกว่า 100 เฮิรตซ์ นอกจากนี้ การพัฒนาแอปพลิเคชันอื่นๆ ยังกำหนดข้อกำหนดที่สูงขึ้นสำหรับความกว้างของเส้นของแหล่งกำเนิดแสง ตัวอย่างเช่น ในระบบไฮโดรโฟนใยแก้วนำแสง ความกว้างของเส้นของแหล่งกำเนิดแสงจะกำหนดสัญญาณรบกวนของระบบและยังกำหนดสัญญาณที่วัดได้ขั้นต่ำของระบบอีกด้วย ในรีเฟล็กเตอร์โดเมนเวลาออปติคอล Brillouin (BOTDR) ความละเอียดในการวัดอุณหภูมิและความเครียดนั้นกำหนดโดยความกว้างของเส้นของแหล่งกำเนิดแสงเป็นหลัก ในไจโรไฟเบอร์ออปติกเรโซเนเตอร์ ความยาวของความสอดคล้องของคลื่นแสงสามารถเพิ่มขึ้นได้โดยการลดความกว้างของเส้นของแหล่งกำเนิดแสง ดังนั้นจึงปรับปรุงความละเอียดและความลึกของการเรโซเนเตอร์ ลดความกว้างของเส้นของเรโซเนเตอร์ และรับรองความแม่นยำในการวัดของไจโรไฟเบอร์ออปติก
1.2 ข้อกำหนดสำหรับแหล่งเลเซอร์กวาด
เลเซอร์กวาดความยาวคลื่นเดียวมีประสิทธิภาพในการปรับความยาวคลื่นที่ยืดหยุ่นได้ สามารถแทนที่เลเซอร์ความยาวคลื่นคงที่เอาต์พุตหลายตัวได้ ลดต้นทุนการสร้างระบบ ถือเป็นส่วนที่ขาดไม่ได้ของระบบตรวจจับใยแก้วนำแสง ตัวอย่างเช่น ในการตรวจจับใยแก้วนำแสงด้วยก๊าซร่องรอย ก๊าซชนิดต่างๆ จะมีค่าพีคของการดูดซับก๊าซที่แตกต่างกัน เพื่อให้แน่ใจว่าประสิทธิภาพในการดูดซับแสงเมื่อก๊าซวัดเพียงพอและมีความไวในการวัดที่สูงขึ้น จำเป็นต้องปรับความยาวคลื่นของแหล่งกำเนิดแสงที่ส่งผ่านให้ตรงกับค่าพีคของการดูดซับของโมเลกุลก๊าซ ประเภทของก๊าซที่สามารถตรวจจับได้นั้นถูกกำหนดโดยความยาวคลื่นของแหล่งกำเนิดแสงตรวจจับเป็นหลัก ดังนั้น เลเซอร์เส้นแคบที่มีประสิทธิภาพในการปรับความกว้างที่เสถียรจึงมีความยืดหยุ่นในการวัดที่สูงกว่าในระบบตรวจจับดังกล่าว ตัวอย่างเช่น ในระบบตรวจจับใยแก้วนำแสงแบบกระจายบางระบบที่ใช้การสะท้อนโดเมนความถี่แสง เลเซอร์จะต้องถูกกวาดเป็นระยะอย่างรวดเร็วเพื่อให้ได้การตรวจจับแบบสอดคล้องกันที่มีความแม่นยำสูงและการดีมอดูเลตสัญญาณแสง ดังนั้นอัตราการมอดูเลตของแหล่งเลเซอร์จึงมีข้อกำหนดที่ค่อนข้างสูง และความเร็วการกวาดของเลเซอร์ที่ปรับได้มักจะต้องถึง 10 pm/μs นอกจากนี้ เลเซอร์เส้นแคบที่ปรับความยาวคลื่นได้ยังใช้กันอย่างแพร่หลายใน liDAR การตรวจจับระยะไกลด้วยเลเซอร์ การวิเคราะห์สเปกตรัมความละเอียดสูง และสาขาการตรวจจับอื่นๆ เพื่อตอบสนองข้อกำหนดของพารามิเตอร์ประสิทธิภาพสูงของแบนด์วิดท์การปรับแต่ง ความแม่นยำในการปรับแต่ง และความเร็วการปรับแต่งของเลเซอร์ความยาวคลื่นเดียวในสาขาการตรวจจับด้วยใยแก้วนำแสง เป้าหมายโดยรวมของการศึกษาเลเซอร์เส้นใยที่ปรับความยาวคลื่นได้และความกว้างแคบในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาคือการปรับแต่งความแม่นยำสูงในช่วงความยาวคลื่นที่ใหญ่กว่าโดยอิงจากการติดตามความกว้างของเส้นเลเซอร์ที่แคบมาก เฟสสัญญาณรบกวนที่ต่ำมาก และความถี่เอาต์พุตและกำลังที่เสถียรมาก
1.3 ความต้องการแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์สีขาว
ในด้านการตรวจจับด้วยแสง เลเซอร์แสงสีขาวคุณภาพสูงมีความสำคัญอย่างยิ่งในการปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบ ยิ่งเลเซอร์แสงสีขาวครอบคลุมสเปกตรัมได้กว้างขึ้นเท่าไร ก็ยิ่งสามารถนำไปใช้ในระบบการตรวจจับด้วยเส้นใยแก้วนำแสงได้มากขึ้นเท่านั้น ตัวอย่างเช่น เมื่อใช้ไฟเบอร์แบร็กเกตติ้ง (FBG) ในการสร้างเครือข่ายเซ็นเซอร์ อาจใช้วิธีการวิเคราะห์สเปกตรัมหรือการจับคู่ตัวกรองที่ปรับได้สำหรับการดีมอดูเลชั่น วิธีแรกใช้เครื่องสเปกโตรมิเตอร์เพื่อทดสอบความยาวคลื่นเรโซแนนซ์ของ FBG แต่ละอันในเครือข่ายโดยตรง วิธีหลังใช้ตัวกรองอ้างอิงเพื่อติดตามและปรับเทียบ FBG ในการตรวจจับ ซึ่งทั้งสองวิธีนี้ต้องใช้แหล่งกำเนิดแสงแบนด์วิดท์กว้างเป็นแหล่งกำเนิดแสงทดสอบสำหรับ FBG เนื่องจากเครือข่ายการเข้าถึง FBG แต่ละเครือข่ายจะมีการสูญเสียการแทรกในระดับหนึ่ง และมีแบนด์วิดท์มากกว่า 0.1 นาโนเมตร การดีมอดูเลชั่น FBG หลายอันพร้อมกันจึงต้องใช้แหล่งกำเนิดแสงแบนด์วิดท์กว้างที่มีพลังงานสูงและแบนด์วิดท์สูง ตัวอย่างเช่น เมื่อใช้กริดไฟเบอร์ช่วงยาว (LPFG) สำหรับการตรวจจับ เนื่องจากแบนด์วิดท์ของจุดสูงสุดของการสูญเสียเพียงจุดเดียวอยู่ในลำดับ 10 นาโนเมตร จึงจำเป็นต้องใช้แหล่งกำเนิดแสงสเปกตรัมกว้างที่มีแบนด์วิดท์เพียงพอและสเปกตรัมที่ค่อนข้างแบนด์วิดท์จึงจำเป็นต่อการระบุลักษณะของจุดสูงสุดของการสั่นพ้องได้อย่างแม่นยำ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง กริดไฟเบอร์อะคูสติก (AIFG) ที่สร้างขึ้นโดยใช้เอฟเฟกต์ออปติกอะคูสติกสามารถบรรลุช่วงการปรับจูนของความยาวคลื่นเรโซแนนซ์ได้สูงถึง 1,000 นาโนเมตรด้วยการปรับจูนไฟฟ้า ดังนั้น การทดสอบกริดแบบไดนามิกที่มีช่วงการปรับจูนที่กว้างเป็นพิเศษดังกล่าวจึงเป็นความท้าทายครั้งใหญ่สำหรับช่วงแบนด์วิดท์ของแหล่งกำเนิดแสงสเปกตรัมกว้าง ในทำนองเดียวกัน ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา กริดไฟเบอร์แบรกก์แบบเอียงก็ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการตรวจจับไฟเบอร์เช่นกัน เนื่องจากลักษณะสเปกตรัมการสูญเสียหลายจุดสูงสุด ช่วงการกระจายความยาวคลื่นจึงมักจะถึง 40 นาโนเมตร กลไกการตรวจจับของกริดนี้มักจะเปรียบเทียบการเคลื่อนที่สัมพันธ์กันระหว่างจุดสูงสุดของการส่งสัญญาณหลายจุด ดังนั้นจึงจำเป็นต้องวัดสเปกตรัมการส่งสัญญาณทั้งหมด ต้องใช้แบนด์วิดท์และพลังงานของแหล่งกำเนิดแสงสเปกตรัมกว้างที่สูงขึ้น
2. สถานภาพการวิจัยในประเทศและต่างประเทศ
2.1 แหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์เส้นแคบ
2.1.1 เลเซอร์ป้อนกลับแบบกระจายเส้นความกว้างแคบแบบเซมิคอนดักเตอร์
ในปี 2549 Cliche และคณะได้ลดขนาด MHz ของเซมิคอนดักเตอร์ดีเอฟบี เลเซอร์(เลเซอร์แบบป้อนกลับแบบกระจาย) เป็นระดับ kHz โดยใช้วิธีการป้อนกลับทางไฟฟ้า ในปี 2011 Kessler และคณะได้ใช้โพรงผลึกเดี่ยวที่มีอุณหภูมิต่ำและมีเสถียรภาพสูงร่วมกับการควบคุมป้อนกลับแบบแอ็คทีฟเพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นที่แคบมากที่ 40 MHz ในปี 2013 Peng และคณะได้เอาต์พุตเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีความกว้างของเส้น 15 kHz โดยใช้วิธีการปรับป้อนกลับ Fabry-Perot (FP) ภายนอก วิธีการป้อนกลับทางไฟฟ้าส่วนใหญ่ใช้ข้อเสนอแนะการปรับเสถียรภาพความถี่ Pond-Drever-Hall เพื่อลดความกว้างของเส้นเลเซอร์ของแหล่งกำเนิดแสง ในปี 2010 Bernhardi และคณะได้ผลิต FBG ของอะลูมินาที่เจือด้วยเออร์เบียม 1 ซม. บนพื้นผิวซิลิกอนออกไซด์เพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นประมาณ 1.7 kHz ในปีเดียวกันนั้น Liang และคณะ ใช้ข้อเสนอแนะการฉีดตนเองของการกระเจิงเรย์ลีห์แบบย้อนหลังที่เกิดขึ้นจากตัวสะท้อนผนังสะท้อน Q สูงเพื่อการบีบอัดความกว้างเส้นของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ ตามที่แสดงในรูปที่ 1 และในที่สุดก็ได้เอาต์พุตเลเซอร์ความกว้างเส้นแคบที่ 160 เฮิรตซ์
รูปที่ 1 (ก) แผนผังการบีบอัดความกว้างเส้นเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์บนพื้นฐานของการกระเจิงเรย์ลีห์แบบฉีดตัวเองของเรโซเนเตอร์โหมดแกลเลอรีกระซิบภายนอก
(b) สเปกตรัมความถี่ของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบวิ่งอิสระที่มีความกว้างของเส้น 8 MHz
(c) สเปกตรัมความถี่ของเลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นถูกบีบอัดเป็น 160 เฮิรตซ์
2.1.2 ไฟเบอร์เลเซอร์เส้นความกว้างแคบ
สำหรับเลเซอร์ไฟเบอร์โพรงเชิงเส้น เอาต์พุตเลเซอร์แบบเส้นแคบของโหมดตามยาวเดี่ยวจะได้มาจากการลดความยาวของเรโซเนเตอร์และเพิ่มช่วงของโหมดตามยาว ในปี 2004 Spiegelberg และคณะได้เอาต์พุตเลเซอร์แบบเส้นแคบของโหมดตามยาวเดี่ยวที่มีความกว้างของเส้น 2 kHz โดยใช้เมธอดโพรงสั้น DBR ในปี 2007 Shen และคณะได้ใช้ใยแก้วซิลิกอนโดปเออร์เบียมหนักขนาด 2 ซม. เพื่อเขียน FBG บนใยแก้วไวต่อแสงแบบโดป Bi-Ge ร่วมกัน และหลอมรวมกับใยแก้วแอคทีฟเพื่อสร้างโพรงเชิงเส้นที่กะทัดรัด ทำให้ความกว้างของเส้นเอาต์พุตเลเซอร์น้อยกว่า 1 kHz ในปี 2010 Yang และคณะได้ใช้โพรงเชิงเส้นสั้นแบบโดปสูงขนาด 2 ซม. ร่วมกับฟิลเตอร์ FBG แบนด์แคบเพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์แบบโหมดตามยาวเดี่ยวที่มีความกว้างของเส้นน้อยกว่า 2 kHz ในปี 2014 ทีมได้ใช้โพรงเชิงเส้นสั้น (เรโซเนเตอร์วงแหวนพับเสมือน) ร่วมกับฟิลเตอร์ FBG-FP เพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นที่แคบกว่า ดังที่แสดงในรูปที่ 3 ในปี 2012 Cai และคณะได้ใช้โครงสร้างโพรงสั้นขนาด 1.4 ซม. เพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์โพลาไรซ์ที่มีกำลังเอาต์พุตมากกว่า 114 มิลลิวัตต์ ความยาวคลื่นกลาง 1,540.3 นาโนเมตร และความกว้างของเส้น 4.1 กิโลเฮิรตซ์ ในปี 2013 Meng และคณะได้ใช้การกระเจิงแบบบริลลูอินของไฟเบอร์ที่เจือด้วยเออร์เบียมกับโพรงวงแหวนสั้นของอุปกรณ์รักษาความเอนเอียงเต็มรูปแบบเพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์แบบตามยาวเฟสเดียวที่มีเสียงรบกวนต่ำที่มีกำลังเอาต์พุต 10 มิลลิวัตต์ ในปี 2558 ทีมงานได้ใช้โพรงวงแหวนที่ประกอบด้วยไฟเบอร์ที่เจือด้วยเออร์เบียมขนาด 45 ซม. เป็นตัวกลางการกระเจิงบริลลูอินเพื่อให้ได้ค่าเกณฑ์ต่ำและเอาต์พุตเลเซอร์เส้นความกว้างแคบ
รูปที่ 2 (ก) ภาพวาดแผนผังของเลเซอร์ไฟเบอร์ SLC
(b) รูปร่างเส้นของสัญญาณเฮเทอโรไดน์ที่วัดด้วยความล่าช้าของเส้นใย 97.6 กม.
เวลาโพสต์: 20 พ.ย. 2566