ऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग के लिए लेजर स्रोत प्रौद्योगिकी भाग एक

लेजर स्रोत प्रौद्योगिकी के लिएप्रकाशित तंतुसंवेदन भाग एक

ऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग तकनीक ऑप्टिकल फाइबर तकनीक और ऑप्टिकल फाइबर संचार तकनीक के साथ विकसित की गई एक तरह 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 एलिमेंट या मॉड्यूलेशन एरिया, लाइट डिटेक्शन और अन्य भागों से बना होता है। प्रकाश तरंग की विशेषताओं का वर्णन करने वाले मापदंडों में तीव्रता, तरंग दैर्ध्य, चरण, ध्रुवीकरण स्थिति आदि शामिल हैं। ऑप्टिकल फाइबर ट्रांसमिशन में बाहरी प्रभावों से इन मापदंडों को बदला जा सकता है। उदाहरण के लिए, जब तापमान, तनाव, दबाव, करंट, विस्थापन, कंपन, रोटेशन, झुकने और रासायनिक मात्रा ऑप्टिकल पथ को प्रभावित करती है, तो ये पैरामीटर तदनुसार बदल जाते हैं। ऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग इन मापदंडों और बाहरी कारकों के बीच संबंधों पर आधारित है ताकि संबंधित भौतिक मात्राओं का पता लगाया जा सके।

कई प्रकार के होते 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 तापदीप्त प्रकाश और प्रकाश उत्सर्जक डायोड शामिल हैं, और सुसंगत प्रकाश स्रोतों में ठोस लेजर, तरल लेजर, गैस लेजर शामिल हैं,अर्धचालक लेजरऔरफाइबर लेजरनिम्नलिखित मुख्य रूप से 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 आवश्यकताएँलेजर प्रकाश स्रोत

ऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग सिस्टम को लेजर स्रोत से अलग नहीं किया जा सकता है, क्योंकि मापा संकेत वाहक प्रकाश तरंग, लेजर प्रकाश स्रोत स्वयं प्रदर्शन, जैसे कि बिजली स्थिरता, लेजर लाइनविड्थ, चरण शोर और ऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग सिस्टम का पता लगाने की दूरी, पता लगाने की सटीकता, संवेदनशीलता और शोर विशेषताओं पर अन्य पैरामीटर निर्णायक भूमिका निभाते हैं। हाल के वर्षों में, लंबी दूरी के अल्ट्रा-हाई रेजोल्यूशन ऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग सिस्टम के विकास के साथ, शिक्षाविदों और उद्योग ने लेजर लघुकरण के लाइनविड्थ प्रदर्शन के लिए और अधिक कठोर आवश्यकताओं को आगे रखा है, मुख्य रूप से: ऑप्टिकल फ्रीक्वेंसी डोमेन रिफ्लेक्शन (OFDR) तकनीक एक विस्तृत कवरेज (हजारों मीटर) के साथ आवृत्ति डोमेन में ऑप्टिकल फाइबर के बैकरेले बिखरे हुए संकेतों का विश्लेषण करने के लिए सुसंगत पता लगाने की तकनीक का उपयोग करती है। OFDR तकनीक का मूल ऑप्टिकल आवृत्ति ट्यूनिंग को प्राप्त करने के लिए ट्यूनेबल 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 दूरी सुसंगतता लंबाई के करीब होती है, तो बीट सिग्नल की तीव्रता गुणांक τ/τc द्वारा तेजी से क्षीण हो जाएगी। एक स्पेक्ट्रल 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 लाइन चौड़ाई और सिस्टम द्वारा प्राप्त की जा सकने वाली अधिकतम संवेदन लंबाई के बीच संबंध Lmax~0.04vg/f है, जिसका अर्थ है कि 80 किमी की लंबाई वाले फाइबर के लिए, प्रकाश स्रोत की लाइन चौड़ाई 100 हर्ट्ज से कम है। इसके अलावा, अन्य अनुप्रयोगों के विकास ने प्रकाश स्रोत की लाइनविड्थ के लिए उच्च आवश्यकताओं को भी आगे रखा। उदाहरण के लिए, ऑप्टिकल फाइबर हाइड्रोफोन सिस्टम में, प्रकाश स्रोत की लाइनविड्थ सिस्टम शोर को निर्धारित करती है और सिस्टम के न्यूनतम मापनीय सिग्नल को भी निर्धारित करती है। ब्रिलौइन ऑप्टिकल टाइम डोमेन रिफ्लेक्टर (BOTDR) में, तापमान और तनाव का मापन संकल्प मुख्य रूप से प्रकाश स्रोत की लाइनविड्थ द्वारा निर्धारित किया जाता है। एक अनुनाद फाइबर ऑप्टिक जायरो में, प्रकाश स्रोत की लाइन चौड़ाई को कम करके प्रकाश तरंग की सुसंगतता लंबाई को बढ़ाया जा सकता है, जिससे अनुनाद की सुंदरता और अनुनाद गहराई में सुधार होता है, अनुनाद की लाइन चौड़ाई कम होती है, और फाइबर ऑप्टिक जायरो की माप सटीकता सुनिश्चित होती है।

1.2 स्वीप लेजर स्रोतों के लिए आवश्यकताएँ

एकल तरंगदैर्घ्य स्वीप लेजर में लचीली तरंगदैर्घ्य ट्यूनिंग प्रदर्शन होता है, जो कई आउटपुट निश्चित तरंगदैर्घ्य लेजर की जगह ले सकता है, सिस्टम निर्माण की लागत को कम कर सकता है, ऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग सिस्टम का एक अनिवार्य हिस्सा है। उदाहरण के लिए, ट्रेस गैस फाइबर सेंसिंग में, विभिन्न प्रकार की गैसों में अलग-अलग गैस अवशोषण शिखर होते हैं। माप गैस पर्याप्त होने पर प्रकाश अवशोषण दक्षता सुनिश्चित करने और उच्च माप संवेदनशीलता प्राप्त करने के लिए, गैस अणु के अवशोषण शिखर के साथ संचरण प्रकाश स्रोत की तरंगदैर्घ्य को संरेखित करना आवश्यक है। जिस प्रकार की गैस का पता लगाया जा सकता है वह अनिवार्य रूप से सेंसिंग प्रकाश स्रोत की तरंगदैर्घ्य द्वारा निर्धारित किया जाता है। इसलिए, स्थिर ब्रॉडबैंड ट्यूनिंग प्रदर्शन वाले संकीर्ण लाइनविड्थ लेजर में ऐसे सेंसिंग सिस्टम में उच्च माप लचीलापन होता है। उदाहरण के लिए, ऑप्टिकल आवृत्ति डोमेन प्रतिबिंब के आधार पर कुछ वितरित ऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग सिस्टम में, ऑप्टिकल संकेतों के उच्च-सटीक सुसंगत पता लगाने और डिमॉड्यूलेशन को प्राप्त करने के लिए लेजर को समय-समय पर तेजी से स्वीप करने की आवश्यकता होती है, इसलिए लेजर स्रोत की मॉड्यूलेशन दर में अपेक्षाकृत उच्च आवश्यकताएं होती हैं, और समायोज्य लेजर की स्वीप गति आमतौर पर 10 pm/μs तक पहुंचने की आवश्यकता होती है। इसके अलावा, तरंगदैर्घ्य ट्यूनेबल संकीर्ण लाइनविड्थ लेजर का व्यापक रूप से liDAR, लेजर रिमोट सेंसिंग और उच्च-रिज़ॉल्यूशन स्पेक्ट्रल विश्लेषण और अन्य सेंसिंग क्षेत्रों में भी उपयोग किया जा सकता है। फाइबर सेंसिंग के क्षेत्र में एकल-तरंगदैर्घ्य लेजर की ट्यूनिंग बैंडविड्थ, ट्यूनिंग सटीकता और ट्यूनिंग गति के उच्च प्रदर्शन मापदंडों की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए, हाल के वर्षों में ट्यूनेबल संकीर्ण-चौड़ाई वाले फाइबर लेजर का अध्ययन करने का समग्र लक्ष्य अल्ट्रा-संकीर्ण लेजर लाइनविड्थ, अल्ट्रा-लो फेज़ शोर और अल्ट्रा-स्थिर आउटपुट आवृत्ति और शक्ति का पीछा करने के आधार पर एक बड़ी तरंगदैर्घ्य सीमा में उच्च-सटीक ट्यूनिंग प्राप्त करना है।

1.3 सफेद लेजर प्रकाश स्रोत की मांग

ऑप्टिकल सेंसिंग के क्षेत्र में, उच्च गुणवत्ता वाले सफेद प्रकाश लेजर का सिस्टम के प्रदर्शन को बेहतर बनाने में बहुत महत्व है। सफेद प्रकाश लेजर का स्पेक्ट्रम कवरेज जितना व्यापक होगा, ऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग सिस्टम में इसका अनुप्रयोग उतना ही व्यापक होगा। उदाहरण के लिए, सेंसर नेटवर्क के निर्माण के लिए फाइबर ब्रैग ग्रेटिंग (FBG) का उपयोग करते समय, डिमॉड्यूलेशन के लिए स्पेक्ट्रल विश्लेषण या ट्यूनेबल फ़िल्टर मिलान विधि का उपयोग किया जा सकता है। पूर्व में नेटवर्क में प्रत्येक FBG अनुनाद तरंग दैर्ध्य का सीधे परीक्षण करने के लिए एक स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग किया गया था। बाद में सेंसिंग में FBG को ट्रैक और कैलिब्रेट करने के लिए एक संदर्भ फ़िल्टर का उपयोग किया जाता है, दोनों को FBG के लिए परीक्षण प्रकाश स्रोत के रूप में ब्रॉडबैंड प्रकाश स्रोत की आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए, संवेदन के लिए लंबी अवधि के फाइबर ग्रेटिंग (LPFG) का उपयोग करते समय, चूँकि एकल हानि शिखर की बैंडविड्थ 10 एनएम के क्रम में होती है, इसलिए इसकी अनुनाद शिखर विशेषताओं को सटीक रूप से चिह्नित करने के लिए पर्याप्त बैंडविड्थ और अपेक्षाकृत सपाट स्पेक्ट्रम वाले एक व्यापक स्पेक्ट्रम प्रकाश स्रोत की आवश्यकता होती है। विशेष रूप से, ध्वनिक-ऑप्टिकल प्रभाव का उपयोग करके निर्मित ध्वनिक फाइबर ग्रेटिंग (AIFG) विद्युत ट्यूनिंग के माध्यम से 1000 एनएम तक अनुनाद तरंगदैर्ध्य की ट्यूनिंग रेंज प्राप्त कर सकता है। इसलिए, इस तरह की अल्ट्रा-वाइड ट्यूनिंग रेंज के साथ गतिशील ग्रेटिंग परीक्षण एक व्यापक स्पेक्ट्रम प्रकाश स्रोत की बैंडविड्थ रेंज के लिए एक बड़ी चुनौती है। इसी तरह, हाल के वर्षों में, फाइबर सेंसिंग के क्षेत्र में झुके हुए ब्रैग फाइबर ग्रेटिंग का भी व्यापक रूप से उपयोग किया गया है। इसकी बहु-शिखर हानि स्पेक्ट्रम विशेषताओं के कारण, तरंगदैर्ध्य वितरण रेंज आमतौर पर 40 एनएम तक पहुंच सकती है। इसका संवेदन तंत्र आमतौर पर कई संचरण चोटियों के बीच सापेक्ष आंदोलन की तुलना करना है, इसलिए इसके संचरण स्पेक्ट्रम को पूरी तरह से मापना आवश्यक है। व्यापक स्पेक्ट्रम प्रकाश स्रोत की बैंडविड्थ और शक्ति अधिक होनी चाहिए।

2. देश और विदेश में अनुसंधान की स्थिति

2.1 संकीर्ण लाइनविड्थ लेजर प्रकाश स्रोत

2.1.1 संकीर्ण लाइनविड्थ अर्धचालक वितरित फीडबैक लेजर

2006 में, क्लिच एट अल. ने सेमीकंडक्टर के मेगाहर्ट्ज पैमाने को कम कर दियाडीएफबी लेजर(वितरित फीडबैक लेजर) को विद्युत फीडबैक विधि का उपयोग करके kHz स्केल पर वितरित किया गया; 2011 में, केसलर एट अल ने 40 मेगाहर्ट्ज की अल्ट्रा-संकीर्ण लाइनविड्थ लेजर आउटपुट प्राप्त करने के लिए सक्रिय फीडबैक नियंत्रण के साथ कम तापमान और उच्च स्थिरता वाले सिंगल क्रिस्टल कैविटी का उपयोग किया; 2013 में, पेंग एट अल ने बाहरी फैब्री-पेरोट (एफपी) फीडबैक समायोजन की विधि का उपयोग करके 15 kHz की लाइनविड्थ के साथ एक अर्धचालक लेजर आउटपुट प्राप्त किया। विद्युत फीडबैक विधि ने प्रकाश स्रोत की लेजर लाइनविड्थ को कम करने के लिए मुख्य रूप से पॉन्ड-ड्रेवर-हॉल आवृत्ति स्थिरीकरण फीडबैक का उपयोग किया। 2010 में, बर्नहार्डी एट अल ने लगभग 1.7 kHz की लाइन चौड़ाई के साथ एक लेजर आउटपुट प्राप्त करने के लिए सिलिकॉन ऑक्साइड सब्सट्रेट पर 1 सेमी एर्बियम-डॉप्ड एल्यूमिना एफबीजी का उत्पादन किया। अर्धचालक लेजर लाइन-चौड़ाई संपीड़न के लिए एक उच्च-क्यू इको वॉल अनुनादक द्वारा निर्मित पश्च रेले बिखराव की स्व-इंजेक्शन प्रतिक्रिया का उपयोग किया, जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है, और अंततः 160 हर्ट्ज का एक संकीर्ण लाइन-चौड़ाई लेजर आउटपुट प्राप्त किया।

चित्र 1 (ए) बाहरी व्हिस्परिंग गैलरी मोड अनुनादक के स्व-इंजेक्शन रेले बिखराव पर आधारित अर्धचालक लेजर लाइनविड्थ संपीड़न का आरेख;
(बी) 8 मेगाहर्ट्ज की लाइनविड्थ के साथ फ्री रनिंग सेमीकंडक्टर लेजर का आवृत्ति स्पेक्ट्रम;
(सी) 160 हर्ट्ज तक संपीड़ित लाइनविड्थ के साथ लेजर का आवृत्ति स्पेक्ट्रम
2.1.2 संकीर्ण लाइनविड्थ फाइबर लेजर

रैखिक गुहा फाइबर लेज़रों के लिए, एकल अनुदैर्ध्य मोड का संकीर्ण लाइनविड्थ लेज़र आउटपुट अनुनादक की लंबाई को छोटा करके और अनुदैर्ध्य मोड अंतराल को बढ़ाकर प्राप्त किया जाता है। 2004 में, स्पीगेलबर्ग एट अल ने डीबीआर लघु गुहा विधि का उपयोग करके 2 kHz की लाइनविड्थ के साथ एकल अनुदैर्ध्य मोड संकीर्ण लाइनविड्थ लेज़र आउटपुट प्राप्त किया। 2007 में, शेन एट अल ने एक Bi-Ge सह-डोप्ड प्रकाश संवेदनशील फाइबर पर FBG लिखने के लिए 2 सेमी भारी एर्बियम-डोप्ड सिलिकॉन फाइबर का इस्तेमाल किया, और इसे एक सक्रिय फाइबर के साथ जोड़कर एक कॉम्पैक्ट रैखिक गुहा बनाया, जिससे इसकी लेजर आउटपुट लाइन की चौड़ाई 1 kHz से कम हो गई। 2014 में, टीम ने एक छोटी रैखिक गुहा (वर्चुअल फोल्डेड रिंग रेज़ोनेटर) का उपयोग एफबीजी-एफपी फ़िल्टर के साथ मिलकर एक संकरी लाइन चौड़ाई के साथ एक लेज़र आउटपुट प्राप्त करने के लिए किया, जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है। 2012 में, कै एट अल ने 114 mW से अधिक आउटपुट पावर, 1540.3 एनएम की केंद्रीय तरंग दैर्ध्य और 4.1 kHz की लाइन चौड़ाई के साथ एक ध्रुवीकरण लेजर आउटपुट प्राप्त करने के लिए 1.4 सेमी छोटी गुहा संरचना का उपयोग किया। 2013 में, मेंग एट अल ने 10 mW की आउटपुट पावर के साथ एकल-अनुदैर्ध्य मोड, कम-चरण शोर लेजर आउटपुट प्राप्त करने के लिए एक पूर्ण-पूर्वाग्रह संरक्षण उपकरण की छोटी रिंग गुहा के साथ एर्बियम-डॉप्ड फाइबर के ब्रिलोइन बिखराव का उपयोग किया।

चित्र 2 (ए) एसएलसी फाइबर लेजर का योजनाबद्ध चित्रण;
(बी) 97.6 किमी फाइबर विलंब के साथ मापे गए हेटेरोडाइन सिग्नल का रेखा आकार