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 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 लेज़र, 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, तरंगदैर्ध्य, कला, ध्रुवीकरण अवस्था आदि शामिल हैं। ऑप्टिकल फाइबर ट्रांसमिशन में बाहरी प्रभावों से ये पैरामीटर बदल सकते हैं। उदाहरण के लिए, जब तापमान, विकृति, दबाव, धारा, विस्थापन, कंपन, घूर्णन, झुकाव और रासायनिक मात्रा ऑप्टिकल पथ को प्रभावित करते हैं, तो ये पैरामीटर तदनुसार बदल जाते हैं। ऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग इन मापदंडों और बाहरी कारकों के बीच संबंधों पर आधारित है ताकि संबंधित भौतिक राशियों 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 निम्नलिखित के लिए हैलेज़र प्रकाश स्रोतहाल के वर्षों में फाइबर सेंसिंग के क्षेत्र में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है: संकीर्ण लाइन चौड़ाई एकल आवृत्ति लेजर, एकल तरंगदैर्ध्य स्वीप आवृत्ति लेजर और सफेद लेजर।

1.1 संकीर्ण लाइनविड्थ के लिए आवश्यकताएँलेज़र प्रकाश स्रोत

ऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग सिस्टम को लेजर स्रोत से अलग नहीं किया जा सकता है, क्योंकि मापा सिग्नल वाहक प्रकाश तरंग, लेजर प्रकाश स्रोत का 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 रिज़ॉल्यूशन ऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग सिस्टम के विकास के साथ, शिक्षा और उद्योग ने लेजर लघुकरण के लाइनविड्थ प्रदर्शन के लिए अधिक कठोर आवश्यकताओं को आगे रखा है, मुख्य रूप से: ऑप्टिकल फ़्रीक्वेंसी 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 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 परावर्तन बिंदु दूरी सुसंगतता लंबाई के करीब होती है, तो बीट सिग्नल की तीव्रता गुणांक τ/τc द्वारा तेजी से क्षीण हो जाएगी। एक वर्णक्रमीय आकार वाले गाऊसी प्रकाश स्रोत के लिए, यह सुनिश्चित करने के लिए कि बीट आवृत्ति में 90% से अधिक दृश्यता है, प्रकाश स्रोत की लाइन की चौड़ाई और सिस्टम द्वारा प्राप्त की जा सकने वाली अधिकतम संवेदन लंबाई के बीच का संबंध Lmax~0.04vg/f है, जिसका अर्थ है कि 80 किमी लंबाई वाले फाइबर के लिए, प्रकाश स्रोत की लाइन की चौड़ाई 100 हर्ट्ज से कम है। इसके अलावा, अन्य अनुप्रयोगों के विकास ने प्रकाश स्रोत की लाइनविड्थ के लिए उच्च आवश्यकताओं को भी सामने रखा है। ब्रिलौइन ऑप्टिकल टाइम डोमेन रिफ्लेक्टर (BOTDR) में, तापमान और प्रतिबल का मापन विभेदन मुख्यतः प्रकाश स्रोत की रेखा-चौड़ाई द्वारा निर्धारित होता है। अनुनादक फाइबर ऑप्टिक जायरो में, प्रकाश स्रोत की रेखा-चौड़ाई को कम करके प्रकाश तरंग की संसक्तता लंबाई बढ़ाई जा सकती है, जिससे अनुनादक की सूक्ष्मता और अनुनाद गहराई में सुधार होता है, अनुनादक की रेखा-चौड़ाई कम होती है, और फाइबर ऑप्टिक जायरो की मापन सटीकता सुनिश्चित होती है।

1.2 स्वीप लेज़र स्रोतों के लिए आवश्यकताएँ

एकल तरंगदैर्ध्य स्वीप लेज़र में लचीला तरंगदैर्ध्य ट्यूनिंग प्रदर्शन होता है, जो बहु-आउटपुट स्थिर तरंगदैर्ध्य लेज़रों की जगह ले सकता है, सिस्टम निर्माण की लागत को कम कर सकता है, और ऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग सिस्टम का एक अनिवार्य हिस्सा है। उदाहरण के लिए, ट्रेस गैस फाइबर सेंसिंग में, विभिन्न प्रकार की गैसों के अलग-अलग गैस अवशोषण शिखर होते हैं। मापन गैस पर्याप्त होने पर प्रकाश अवशोषण दक्षता सुनिश्चित करने और उच्च मापन संवेदनशीलता प्राप्त करने के लिए, संचरण प्रकाश स्रोत की तरंगदैर्ध्य को गैस अणु के अवशोषण शिखर के साथ संरेखित करना आवश्यक है। पता लगाई जा सकने वाली गैस का प्रकार अनिवार्य रूप से संवेदन प्रकाश स्रोत की तरंगदैर्ध्य द्वारा निर्धारित होता है। इसलिए, स्थिर ब्रॉडबैंड ट्यूनिंग प्रदर्शन वाले संकीर्ण लाइनविड्थ लेज़रों में ऐसी सेंसिंग प्रणालियों में उच्च माप लचीलापन होता है। उदाहरण के लिए, ऑप्टिकल आवृत्ति डोमेन परावर्तन पर आधारित कुछ वितरित ऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग प्रणालियों में, ऑप्टिकल संकेतों के उच्च-परिशुद्धता सुसंगत पता लगाने और डिमॉड्यूलेशन को प्राप्त करने के लिए लेज़र को समय-समय पर तेज़ी से स्वीप करने की आवश्यकता होती है, इसलिए लेज़र स्रोत की मॉड्यूलेशन दर अपेक्षाकृत उच्च होती है, और समायोज्य लेज़र की स्वीप गति आमतौर पर 10 pm/μs तक पहुँचने की आवश्यकता होती है। इसके अलावा, तरंगदैर्ध्य ट्यूनेबल संकीर्ण लाइनविड्थ लेज़र का उपयोग LiDAR, लेज़र रिमोट सेंसिंग और उच्च-रिज़ॉल्यूशन स्पेक्ट्रल विश्लेषण जैसे संवेदन क्षेत्रों में भी व्यापक रूप से किया जा सकता है। फाइबर सेंसिंग के क्षेत्र में एकल-तरंगदैर्ध्य लेज़रों की ट्यूनिंग बैंडविड्थ, ट्यूनिंग सटीकता और ट्यूनिंग गति जैसे उच्च प्रदर्शन मापदंडों की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए, हाल के वर्षों में ट्यूनेबल संकीर्ण-चौड़ाई वाले फाइबर लेज़रों के अध्ययन का समग्र लक्ष्य अल्ट्रा-संकीर्ण लेज़र लाइनविड्थ, अल्ट्रा-लो फेज़ नॉइज़ और अल्ट्रा-स्थिर आउटपुट आवृत्ति और शक्ति के आधार पर एक बड़ी तरंगदैर्ध्य रेंज में उच्च-सटीक ट्यूनिंग प्राप्त करना है।

1.3 श्वेत लेजर प्रकाश स्रोत की मांग

ऑप्टिकल सेंसिंग के क्षेत्र में, उच्च गुणवत्ता वाले श्वेत प्रकाश लेजर का सिस्टम के प्रदर्शन को बेहतर बनाने में बहुत महत्व है। श्वेत 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, स्पेक्ट्रल विश्लेषण या ट्यूनेबल फ़िल्टर मिलान विधि का उपयोग डिमॉड्यूलेशन के लिए किया जा सकता है। पूर्व में नेटवर्क में प्रत्येक FBG अनुनाद तरंगदैर्ध्य का सीधे परीक्षण करने के लिए एक स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग किया गया था। उत्तरार्द्ध सेंसिंग में FBG को ट्रैक और कैलिब्रेट करने के लिए एक संदर्भ फ़िल्टर का उपयोग करता है, दोनों के लिए FBG के लिए परीक्षण प्रकाश स्रोत के रूप में एक ब्रॉडबैंड प्रकाश स्रोत की आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए, संवेदन के लिए दीर्घावधि फाइबर ग्रेटिंग (LPFG) का उपयोग करते समय, चूँकि एकल हानि शिखर की बैंडविड्थ लगभग 10 नैनोमीटर होती है, इसलिए इसके अनुनाद शिखर अभिलक्षणों को सटीक रूप से अभिलक्षित करने के लिए पर्याप्त बैंडविड्थ और अपेक्षाकृत समतल स्पेक्ट्रम वाले एक व्यापक स्पेक्ट्रम प्रकाश स्रोत की आवश्यकता होती है। विशेष रूप से, ध्वनिक-प्रकाशीय प्रभाव का उपयोग करके निर्मित ध्वनिक फाइबर ग्रेटिंग (AIFG) विद्युत ट्यूनिंग के माध्यम से 1000 नैनोमीटर तक की अनुनाद तरंगदैर्ध्य की ट्यूनिंग सीमा प्राप्त कर सकता है। इसलिए, इतनी अति-विस्तृत ट्यूनिंग सीमा के साथ गतिशील ग्रेटिंग परीक्षण, एक व्यापक स्पेक्ट्रम प्रकाश स्रोत की बैंडविड्थ सीमा के लिए एक बड़ी चुनौती प्रस्तुत करता है। इसी प्रकार, हाल के वर्षों में, फाइबर संवेदन 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 सीमा आमतौर पर 40 नैनोमीटर तक पहुँच सकती है। इसका संवेदन तंत्र आमतौर पर कई संचरण शिखरों के बीच सापेक्ष गति की तुलना करना होता है, इसलिए इसके संचरण स्पेक्ट्रम को पूरी तरह से मापना आवश्यक है। व्यापक स्पेक्ट्रम प्रकाश स्रोत की बैंडविड्थ और शक्ति अधिक होनी आवश्यक है।

2. देश और विदेश में अनुसंधान की स्थिति

2.1 संकीर्ण लाइनविड्थ लेज़र 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 पैमाने 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 एकल क्रिस्टल गुहा 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 मुख्य रूप से पॉन्ड-ड्रेवर-हॉल आवृत्ति स्थिरीकरण फीडबैक का उपयोग किया ताकि प्रकाश स्रोत की लेजर लाइनविड्थ को कम किया जा सके। 2010 में, बर्नहार्डी एट अल ने लगभग 1.7 kHz की लाइन चौड़ाई के साथ लेजर आउटपुट प्राप्त करने के लिए सिलिकॉन ऑक्साइड सब्सट्रेट पर 1 सेमी एर्बियम-डोप्ड एल्यूमिना एफबीजी का उत्पादन किया। अर्धचालक लेजर लाइन-चौड़ाई संपीड़न के लिए एक उच्च-क्यू इको वॉल रेज़ोनेटर द्वारा निर्मित पश्च रेले बिखराव के स्व-इंजेक्शन फीडबैक 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) बाह्य व्हिस्परिंग गैलरी मोड अनुनादक के स्व-इंजेक्शन रेले बिखराव पर आधारित अर्धचालक लेजर लाइनविड्थ संपीड़न का आरेख;
(बी) 8 मेगाहर्ट्ज की लाइनविड्थ के साथ मुक्त चलने वाले अर्धचालक लेजर का आवृत्ति स्पेक्ट्रम;
(c) 160 हर्ट्ज तक संपीड़ित लाइनविड्थ के साथ लेज़र 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 फोटोसेंसिटिव 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 बनाई, जिससे इसकी लेज़र आउटपुट लाइन की चौड़ाई 1 kHz से कम हो गई। 2014 में, टीम ने एक छोटी रैखिक गुहा (वर्चुअल फोल्डेड रिंग रेज़ोनेटर) का उपयोग एक एफबीजी-एफपी फ़िल्टर के साथ संयुक्त रूप से एक संकीर्ण लाइन चौड़ाई के साथ एक लेजर 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-डोप्ड फाइबर के ब्रिलोइन बिखराव का उपयोग किया।

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