ऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग पार्ट वन के लिए लेजर स्रोत प्रौद्योगिकी

के लिए लेजर स्रोत प्रौद्योगिकीप्रकाशित तंतुसेंसिंग पार्ट वन

ऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग तकनीक ऑप्टिकल फाइबर तकनीक और ऑप्टिकल फाइबर संचार प्रौद्योगिकी के साथ विकसित एक प्रकार की सेंसिंग तकनीक है, और यह फोटोइलेक्ट्रिक तकनीक की सबसे सक्रिय शाखाओं में से एक बन गई है। ऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग सिस्टम मुख्य रूप से लेजर, ट्रांसमिशन फाइबर, सेंसिंग तत्व या मॉड्यूलेशन क्षेत्र, प्रकाश का पता लगाने और अन्य भागों से बना है। प्रकाश तरंग की विशेषताओं का वर्णन करने वाले मापदंडों में तीव्रता, तरंग दैर्ध्य, चरण, ध्रुवीकरण राज्य आदि शामिल हैं। इन मापदंडों को ऑप्टिकल फाइबर ट्रांसमिशन में बाहरी प्रभावों द्वारा बदला जा सकता है। उदाहरण के लिए, जब तापमान, तनाव, दबाव, वर्तमान, विस्थापन, कंपन, रोटेशन, झुकने और रासायनिक मात्रा ऑप्टिकल पथ को प्रभावित करती है, तो ये पैरामीटर समान रूप से बदलते हैं। ऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग इन मापदंडों और बाहरी कारकों के बीच संबंध पर आधारित है ताकि संबंधित भौतिक मात्रा का पता लगाया जा सके।

कई प्रकार के हैंलेजर स्रोतऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग सिस्टम में उपयोग किया जाता है, जिसे दो श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है: सुसंगतलेजर स्रोतऔर असंगत प्रकाश स्रोत, असंगतप्रकाश स्रोतमुख्य रूप से गरमागरम प्रकाश और प्रकाश उत्सर्जक डायोड शामिल हैं, और सुसंगत प्रकाश स्रोतों में ठोस लेजर, तरल लेजर, गैस लेजर, शामिल हैं,अर्धचालक लेजरऔरफाइबर लेजर। निम्नलिखित मुख्य रूप से के लिए हैलेजर प्रकाश स्रोतहाल के वर्षों में फाइबर सेंसिंग के क्षेत्र में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है: संकीर्ण लाइन चौड़ाई एकल-आवृत्ति लेजर, एकल-तरंग दैर्ध्य स्वीप आवृत्ति लेजर और सफेद लेजर।

1.1 संकीर्ण लाइनविड्थ के लिए आवश्यकताएंलेजर प्रकाश स्रोत

ऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग सिस्टम को लेजर स्रोत से अलग नहीं किया जा सकता है, क्योंकि मापा सिग्नल कैरियर लाइट वेव, लेजर लाइट सोर्स के प्रदर्शन, जैसे कि पावर स्टेबिलिटी, लेजर लाइनविड्थ, फेज शोर और ऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग सिस्टम डिटेक्शन डिटेक्शन डिटेक्शन, डिटेक्शन सटीकता, संवेदनशीलता और शोर चरित्रों पर अन्य पैरामीटर। हाल के वर्षों में, लंबी दूरी के अल्ट्रा-हाई रिज़ॉल्यूशन ऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग सिस्टम के विकास के साथ, एकेडेमिया और उद्योग ने लेजर लघुकरण के लाइनविड्थ प्रदर्शन के लिए अधिक कड़े आवश्यकताओं को आगे बढ़ाया है, मुख्य रूप से: ऑप्टिकल फ़्रीक्वेंसी डोमेन रिफ्लेक्शन (ओएफडी) प्रौद्योगिकी के साथ मिलकर ककरेज को बिखेरने के लिए सुसंगत डिटेक्शन तकनीक का उपयोग करता है। उच्च रिज़ॉल्यूशन (मिलीमीटर -स्तरीय रिज़ॉल्यूशन) और उच्च संवेदनशीलता (-100 डीबीएम तक) के फायदे वितरित ऑप्टिकल फाइबर माप और सेंसिंग तकनीक में व्यापक अनुप्रयोग संभावनाओं के साथ प्रौद्योगिकियों में से एक बन गए हैं। OFDR तकनीक का मूल ऑप्टिकल फ्रीक्वेंसी ट्यूनिंग प्राप्त करने के लिए ट्यून करने योग्य प्रकाश स्रोत का उपयोग करना है, इसलिए लेजर स्रोत का प्रदर्शन OFDR डिटेक्शन रेंज, संवेदनशीलता और रिज़ॉल्यूशन जैसे प्रमुख कारकों को निर्धारित करता है। जब प्रतिबिंब बिंदु की दूरी सुसंगत लंबाई के करीब होती है, तो बीट सिग्नल की तीव्रता को गुणांक τ/τc द्वारा तेजी से देखा जाएगा। एक वर्णक्रमीय आकार के साथ एक गाऊसी प्रकाश स्रोत के लिए, यह सुनिश्चित करने के लिए कि बीट आवृत्ति में 90% से अधिक दृश्यता है, प्रकाश स्रोत की रेखा की चौड़ाई और अधिकतम संवेदन लंबाई के बीच संबंध जो सिस्टम प्राप्त कर सकता है, वह है LMAX ~ 0.04Vg/F, जिसका अर्थ है कि 80 किमी की लंबाई वाले फाइबर के लिए, प्रकाश स्रोत की रेखा चौड़ाई 100 HZ से कम है। इसके अलावा, अन्य अनुप्रयोगों के विकास ने प्रकाश स्रोत के लाइनविड्थ के लिए उच्च आवश्यकताओं को भी आगे बढ़ाया। उदाहरण के लिए, ऑप्टिकल फाइबर हाइड्रोफोन सिस्टम में, प्रकाश स्रोत का लाइनविड सिस्टम शोर को निर्धारित करता है और सिस्टम के न्यूनतम औसत दर्जे का संकेत भी निर्धारित करता है। Brillouin ऑप्टिकल टाइम डोमेन रिफ्लेक्टर (BOTDR) में, तापमान और तनाव का माप संकल्प मुख्य रूप से प्रकाश स्रोत के लाइनविड्थ द्वारा निर्धारित किया जाता है। एक गुंजयमान फाइबर ऑप्टिक गायरो में, प्रकाश की लहर की सुसंगतता लंबाई को प्रकाश स्रोत की रेखा की चौड़ाई को कम करके बढ़ाया जा सकता है, जिससे गुंजयमानता की सुंदरता और अनुनाद गहराई में सुधार होता है, जो गुंजयमान की रेखा की चौड़ाई को कम करता है, और फाइबर ऑप्टिक गैरो की माप सटीकता सुनिश्चित करता है।

1.2 स्वीप लेजर स्रोतों के लिए आवश्यकताएं

सिंगल वेवलेंथ स्वीप लेजर में लचीली तरंग दैर्ध्य ट्यूनिंग प्रदर्शन होता है, कई आउटपुट फिक्स्ड वेवलेंथ लेज़रों को बदल सकता है, सिस्टम निर्माण की लागत को कम कर सकता है, ऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग सिस्टम का एक अपरिहार्य हिस्सा है। उदाहरण के लिए, ट्रेस गैस फाइबर सेंसिंग में, विभिन्न प्रकार की गैसों में अलग -अलग गैस अवशोषण चोटियां होती हैं। माप गैस पर्याप्त होने पर प्रकाश अवशोषण दक्षता सुनिश्चित करने के लिए और उच्च माप संवेदनशीलता को प्राप्त करने के लिए, गैस अणु के अवशोषण शिखर के साथ ट्रांसमिशन प्रकाश स्रोत के तरंग दैर्ध्य को संरेखित करना आवश्यक है। जिस प्रकार की गैस का पता लगाया जा सकता है, वह अनिवार्य रूप से सेंसिंग लाइट स्रोत के तरंग दैर्ध्य द्वारा निर्धारित किया जाता है। इसलिए, स्थिर ब्रॉडबैंड ट्यूनिंग प्रदर्शन के साथ संकीर्ण लाइनविड्थ लेज़रों में इस तरह के सेंसिंग सिस्टम में उच्च माप लचीलापन होता है। उदाहरण के लिए, ऑप्टिकल फ्रीक्वेंसी डोमेन प्रतिबिंब के आधार पर कुछ वितरित ऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग सिस्टम में, लेजर को उच्च-परिशुद्धता सुसंगत पहचान और ऑप्टिकल संकेतों के डिमोड्यूलेशन को प्राप्त करने के लिए समय-समय पर तेजी से बहने की आवश्यकता होती है, इसलिए लेजर स्रोत के मॉड्यूलेशन दर में अपेक्षाकृत उच्च आवश्यकताएं होती हैं, और समायोज्य लेज़र की SWEEP गति आमतौर पर 10 pm तक पहुंचने के लिए आवश्यक होती है। इसके अलावा, तरंग दैर्ध्य ट्यून करने योग्य संकीर्ण लाइनविड्थ लेजर को व्यापक रूप से लिडार, लेजर रिमोट सेंसिंग और उच्च-रिज़ॉल्यूशन स्पेक्ट्रल विश्लेषण और अन्य सेंसिंग फ़ील्ड में व्यापक रूप से उपयोग किया जा सकता है। ट्यूनिंग बैंडविड्थ के उच्च प्रदर्शन मापदंडों, ट्यूनिंग सटीकता और फाइबर सेंसिंग के क्षेत्र में एकल-तरंग दैर्ध्य लेज़रों की ट्यूनिंग गति की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए, हाल के वर्षों में ट्यून करने योग्य संकीर्ण-चौड़ाई वाले फाइबर लेजर का अध्ययन करने का समग्र लक्ष्य अल्ट्रा-मिर्च लाईड्रिफ़ा, अल्ट्रा-लाईड्रिफ़ा-आउट के आधार पर उच्च-सटीक ट्यूनिंग प्राप्त करना है, शक्ति।

1.3 सफेद लेजर प्रकाश स्रोत के लिए मांग

ऑप्टिकल सेंसिंग के क्षेत्र में, उच्च गुणवत्ता वाले सफेद प्रकाश लेजर सिस्टम के प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए बहुत महत्व है। व्हाइट लाइट लेजर का स्पेक्ट्रम कवरेज, ऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग सिस्टम में इसके एप्लिकेशन को अधिक व्यापक। उदाहरण के लिए, सेंसर नेटवर्क के निर्माण के लिए फाइबर ब्रैग ग्रेटिंग (एफबीजी) का उपयोग करते समय, डिमोड्यूलेशन के लिए वर्णक्रमीय विश्लेषण या ट्यून करने योग्य फ़िल्टर मिलान विधि का उपयोग किया जा सकता है। पूर्व ने नेटवर्क में प्रत्येक FBG गुंजयमान तरंग दैर्ध्य का सीधे परीक्षण करने के लिए एक स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग किया। उत्तरार्द्ध Sensing में FBG को ट्रैक करने और जांचने के लिए एक संदर्भ फ़िल्टर का उपयोग करता है, दोनों को FBG के लिए एक परीक्षण प्रकाश स्रोत के रूप में ब्रॉडबैंड लाइट स्रोत की आवश्यकता होती है। क्योंकि प्रत्येक FBG एक्सेस नेटवर्क में एक निश्चित सम्मिलन हानि होगी, और 0.1 एनएम से अधिक की एक बैंडविड्थ है, कई FBG के एक साथ डिमोड्यूलेशन को उच्च शक्ति और उच्च बैंडविड्थ के साथ एक ब्रॉडबैंड प्रकाश स्रोत की आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए, जब संवेदन के लिए लंबी अवधि के फाइबर झंझरी (LPFG) का उपयोग किया जाता है, तो एक एकल हानि शिखर की बैंडविड्थ 10 एनएम के क्रम में है, पर्याप्त बैंडविड्थ और अपेक्षाकृत फ्लैट स्पेक्ट्रम के साथ एक व्यापक स्पेक्ट्रम प्रकाश स्रोत को इसकी गुंजयमान शिखर विशेषताओं को सटीक रूप से चिह्नित करने की आवश्यकता होती है। विशेष रूप से, ध्वनिक फाइबर झंझरी (AIFG) का निर्माण ACOUSTO-OPTICAL प्रभाव का उपयोग करके किया जाता है, जो विद्युत ट्यूनिंग के माध्यम से 1000 एनएम तक गुंजयमान तरंग दैर्ध्य की एक ट्यूनिंग रेंज को प्राप्त कर सकता है। इसलिए, इस तरह के अल्ट्रा-वाइड ट्यूनिंग रेंज के साथ डायनेमिक ग्रेटिंग परीक्षण एक विस्तृत-स्पेक्ट्रम लाइट स्रोत की बैंडविड्थ रेंज के लिए एक बड़ी चुनौती है। इसी तरह, हाल के वर्षों में, फाइबर सेंसिंग के क्षेत्र में झुका हुआ ब्रैग फाइबर झंझरी भी व्यापक रूप से उपयोग किया गया है। इसकी बहु-शिखर हानि स्पेक्ट्रम विशेषताओं के कारण, तरंग दैर्ध्य वितरण रेंज आमतौर पर 40 एनएम तक पहुंच सकती है। इसका संवेदन तंत्र आमतौर पर कई ट्रांसमिशन चोटियों के बीच सापेक्ष आंदोलन की तुलना करना है, इसलिए इसके ट्रांसमिशन स्पेक्ट्रम को पूरी तरह से मापना आवश्यक है। विस्तृत स्पेक्ट्रम प्रकाश स्रोत की बैंडविड्थ और शक्ति अधिक होने की आवश्यकता है।

2। घर और विदेश में अनुसंधान की स्थिति

2.1 संकीर्ण लाइनविड्थ लेजर प्रकाश स्रोत

2.1.1 संकीर्ण लाइनविड्थ सेमीकंडक्टर डिस्ट्रीब्यूड फीडबैक लेजर

2006 में, क्लिच एट अल। अर्धचालक के मेगाहर्ट्ज पैमाने को कम कर दियाडीएफबी लेजर(वितरित फीडबैक लेजर) विद्युत प्रतिक्रिया विधि का उपयोग करके KHZ स्केल के लिए; 2011 में, केसलर एट अल। कम तापमान और उच्च स्थिरता एकल क्रिस्टल गुहा का उपयोग किया गया, जो 40 मेगाहर्ट्ज के अल्ट्रा-नैरो लाइनविड्थ लेजर आउटपुट को प्राप्त करने के लिए सक्रिय प्रतिक्रिया नियंत्रण के साथ संयुक्त है; 2013 में, पेंग एट अल ने बाहरी फैब्री-पेरोट (एफपी) फीडबैक समायोजन की विधि का उपयोग करके 15 kHz के लाइनविड्थ के साथ एक अर्धचालक लेजर आउटपुट प्राप्त किया। विद्युत प्रतिक्रिया विधि ने मुख्य रूप से प्रकाश स्रोत के लेजर लाइनविड्थ को कम करने के लिए तालाब-ड्रेवर-हॉल फ्रीक्वेंसी स्थिरीकरण प्रतिक्रिया का उपयोग किया। 2010 में, बर्नहार्डी एट अल। लगभग 1.7 kHz की लाइन चौड़ाई के साथ लेजर आउटपुट प्राप्त करने के लिए एक सिलिकॉन ऑक्साइड सब्सट्रेट पर एर्बियम-डोपेड एल्यूमिना एफबीजी के 1 सेमी का उत्पादन किया। उसी वर्ष, लियांग एट अल। अर्धचालक लेजर लाइन-चौड़ाई संपीड़न के लिए एक उच्च-क्यू इको वॉल रेज़ोनेटर द्वारा गठित पिछड़े रेलेघ बिखरने की आत्म-इंजेक्शन प्रतिक्रिया का उपयोग किया, जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है, और अंत में 160 हर्ट्ज का एक संकीर्ण लाइन-चौड़ाई लेजर आउटपुट प्राप्त किया।

अंजीर। 1 (ए) सेमीकंडक्टर लेजर लाइनविड्थ संपीड़न का आरेख, बाहरी फुसफुसाते गैलरी मोड गुंजाइश के स्व-इंजेक्शन रेले के बिखरने के आधार पर;
(बी) 8 मेगाहर्ट्ज के लाइनविड्थ के साथ फ्री रनिंग सेमीकंडक्टर लेजर की आवृत्ति स्पेक्ट्रम;
(c) Linwidth के साथ लेजर की आवृत्ति स्पेक्ट्रम 160 हर्ट्ज तक संपीड़ित
2.1.2 संकीर्ण लाइनविड्थ फाइबर लेजर

रैखिक गुहा फाइबर लेजर के लिए, एकल अनुदैर्ध्य मोड के संकीर्ण लाइनविड्थ लेजर आउटपुट को गुंजयमानकर्ता की लंबाई को छोटा करके और अनुदैर्ध्य मोड अंतराल को बढ़ाकर प्राप्त किया जाता है। 2004 में, स्पीगेलबर्ग एट अल। DBR शॉर्ट कैविटी विधि का उपयोग करके 2 kHz के लाइनविड्थ के साथ एक एकल अनुदैर्ध्य मोड संकीर्ण Linewidth लेजर आउटपुट प्राप्त किया। 2007 में, शेन एट अल। एक द्वि-जीई सह-डोपेड फोटोसेंसिटिव फाइबर पर एफबीजी लिखने के लिए 2 सेमी भारी एर्बियम-डोपेड सिलिकॉन फाइबर का उपयोग किया, और कॉम्पैक्ट रैखिक गुहा बनाने के लिए एक सक्रिय फाइबर के साथ इसे फ्यूज किया, जिससे इसकी लेजर आउटपुट लाइन की चौड़ाई 1 kHz से कम हो गई। 2010 में, यांग एट अल। 2 सेमी अत्यधिक डोपेड शॉर्ट रैखिक गुहा का उपयोग किया गया, जो एक संकीर्ण FBG फ़िल्टर के साथ संयुक्त रूप से 2 kHz से कम की लाइन चौड़ाई के साथ एक एकल अनुदैर्ध्य मोड लेजर आउटपुट प्राप्त करने के लिए। 2014 में, टीम ने एक छोटे रैखिक गुहा (वर्चुअल फोल्ड रिंग रेजोनेटर) का उपयोग किया, जो एक संकीर्ण रेखा की चौड़ाई के साथ लेजर आउटपुट प्राप्त करने के लिए एक एफबीजी-एफपी फिल्टर के साथ संयुक्त था, जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है। 2012 में, कै एट अल। 114 मेगावाट से अधिक आउटपुट पावर, 1540.3 एनएम की एक केंद्रीय तरंग दैर्ध्य और 4.1 kHz की एक लाइन चौड़ाई के साथ एक ध्रुवीकरण लेजर आउटपुट प्राप्त करने के लिए 1.4 सेमी छोटी कैविटी संरचना का उपयोग किया। 2013 में, मेंग एट अल। 10 मेगावाट की आउटपुट पावर के साथ एक एकल-लंबे समय तक मोड, कम-चरण शोर लेजर आउटपुट प्राप्त करने के लिए एक पूर्ण-पूर्वाग्रह संरक्षण डिवाइस की एक छोटी रिंग गुहा के साथ एर्बियम-डॉप्ड फाइबर के ब्रिलॉइन बिखरने का इस्तेमाल किया। 2015 में, टीम ने एक रिंग कैविटी का इस्तेमाल किया, जो 45 सेमी एर्बियम-डोपेड फाइबर से बना है, जो कि कम थ्रेशोल्ड और संकीर्ण लाइनविड्थ लेजर आउटपुट प्राप्त करने के लिए ब्रिलॉइन बिखरने वाले लाभ के रूप में है।

अंजीर। 2 (ए) एसएलसी फाइबर लेजर की योजनाबद्ध ड्राइंग;
(बी) हेटेरोडाइन सिग्नल का लाइनशेप 97.6 किमी फाइबर देरी के साथ मापा जाता है