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 लेजर, ट्रांसमिशन फाइबर, सेंसिंग एलिमेंट या मॉड्यूलेशन एरिया, लाइट डिटेक्शन और अन्य भागों से मिलकर बना होता है। प्रकाश तरंग की विशेषताओं का वर्णन करने वाले मापदंडों में तीव्रता, तरंगदैर्ध्य, चरण, ध्रुवीकरण अवस्था आदि शामिल हैं। ऑप्टिकल फाइबर ट्रांसमिशन में बाहरी प्रभावों के कारण ये मापदंड बदल सकते हैं। उदाहरण के लिए, जब तापमान, तनाव, दबाव, धारा, विस्थापन, कंपन, घूर्णन, झुकाव और रासायनिक मात्रा ऑप्टिकल पथ को प्रभावित करते हैं, तो ये मापदंड तदनुसार परिवर्तित हो जाते हैं। ऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग इन मापदंडों और बाहरी कारकों के बीच संबंध के आधार पर संबंधित भौतिक मात्राओं का पता लगाती है।

कई प्रकार केलेजर 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।सेमीकंडक्टर लेजरऔरफाइबर लेजरनिम्नलिखित जानकारी मुख्य रूप से इनके लिए है।लेजर प्रकाश स्रोतहाल के वर्षों में फाइबर सेंसिंग के क्षेत्र में व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले लेजर हैं: संकीर्ण लाइन चौड़ाई वाला एकल-आवृत्ति लेजर, एकल-तरंगदैर्ध्य 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 गया सिग्नल वाहक प्रकाश तरंग, लेजर प्रकाश स्रोत का प्रदर्शन, जैसे कि शक्ति स्थिरता, लेजर लाइनविड्थ, फेज नॉइज़ और अन्य पैरामीटर ऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग सिस्टम की डिटेक्शन दूरी, डिटेक्शन सटीकता, संवेदनशीलता और नॉइज़ विशेषताओं पर निर्णायक भूमिका निभाते हैं। हाल के वर्षों में, लंबी दूरी के अल्ट्रा-हाई रेज़ोल्यूशन ऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग सिस्टम के विकास के साथ, शिक्षाविदों और उद्योग ने लेजर के लाइनविड्थ प्रदर्शन को छोटा करने के लिए अधिक कठोर आवश्यकताएं रखी हैं, मुख्य रूप से: ऑप्टिकल फ्रीक्वेंसी डोमेन रिफ्लेक्शन (OFDR) तकनीक में, जो फ्रीक्वेंसी डोमेन में ऑप्टिकल फाइबर के बैकरेले स्कैटर्ड सिग्नल का विश्लेषण करने के लिए सुसंगत डिटेक्शन तकनीक का उपयोग करती है, व्यापक कवरेज (हजारों मीटर) के साथ। उच्च रिज़ोल्यूशन (मिलीमीटर-स्तरीय रिज़ोल्यूशन) और उच्च संवेदनशीलता (-100 dBm तक) के लाभों ने इसे वितरित ऑप्टिकल फाइबर माप और सेंसिंग तकनीक में व्यापक अनुप्रयोग संभावनाओं वाली तकनीकों में से एक बना दिया है। ऑप्टिकल फाइबर डायवर्जन (OFDR) तकनीक का मूल आधार ट्यूनेबल प्रकाश स्रोत का उपयोग करके ऑप्टिकल आवृत्ति ट्यूनिंग प्राप्त करना है, इसलिए लेजर स्रोत का प्रदर्शन OFDR की पहचान सीमा, संवेदनशीलता और रिज़ॉल्यूशन जैसे प्रमुख कारकों को निर्धारित करता है। जब परावर्तन बिंदु की दूरी सुसंगतता लंबाई के करीब होती है, तो बीट सिग्नल की तीव्रता गुणांक τ/τc द्वारा घातीय रूप से क्षीण हो जाती है। एक गाऊसीयन प्रकाश स्रोत के लिए, बीट आवृत्ति की दृश्यता 90% से अधिक सुनिश्चित करने के लिए, 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 लंबाई के फाइबर के लिए, प्रकाश स्रोत की लाइन चौड़ाई 100 हर्ट्ज़ से कम है। इसके अलावा, अन्य अनुप्रयोगों के विकास ने भी प्रकाश स्रोत की लाइन चौड़ाई के लिए उच्च आवश्यकताएं निर्धारित की हैं। उदाहरण के लिए, ऑप्टिकल फाइबर हाइड्रोफोन सिस्टम में, प्रकाश स्रोत की लाइन चौड़ाई सिस्टम के शोर को निर्धारित करती है और सिस्टम के न्यूनतम मापने योग्य सिग्नल को भी निर्धारित करती है। ब्रिलौइन ऑप्टिकल टाइम डोमेन रिफ्लेक्टर (BOTDR) में, तापमान और तनाव के मापन का रिज़ॉल्यूशन मुख्य रूप से प्रकाश स्रोत की लाइनविड्थ द्वारा निर्धारित होता है। एक रेज़ोनेटर फाइबर ऑप्टिक जाइरो में, प्रकाश स्रोत की लाइनविड्थ को कम करके प्रकाश तरंग की सुसंगतता लंबाई को बढ़ाया जा सकता है, जिससे रेज़ोनेटर की सूक्ष्मता और अनुनाद गहराई में सुधार होता है, रेज़ोनेटर की लाइनविड्थ कम होती है और फाइबर ऑप्टिक जाइरो की मापन सटीकता सुनिश्चित होती है।

1.2 स्वीप लेजर स्रोतों के लिए आवश्यकताएँ

एकल तरंगदैर्ध्य स्वीप लेजर में लचीली तरंगदैर्ध्य ट्यूनिंग क्षमता होती है, यह कई आउटपुट वाले निश्चित तरंगदैर्ध्य लेजरों का स्थान 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 अवशोषण शिखर अलग-अलग होते हैं। पर्याप्त मात्रा में मापी जाने वाली गैस 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 मूल रूप से सेंसिंग प्रकाश स्रोत की तरंगदैर्ध्य द्वारा निर्धारित होता है। इसलिए, स्थिर ब्रॉडबैंड ट्यूनिंग क्षमता वाले संकीर्ण लाइनविड्थ लेजर ऐसे सेंसिंग सिस्टम में उच्च मापन लचीलापन प्रदान करते हैं। उदाहरण के लिए, ऑप्टिकल आवृत्ति डोमेन परावर्तन पर आधारित कुछ वितरित ऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग सिस्टम में, ऑप्टिकल संकेतों के उच्च-सटीक सुसंगत पहचान और विसंशोधन को प्राप्त करने के लिए लेजर को तेजी से आवधिक रूप से स्वीप करने की आवश्यकता होती है, इसलिए लेजर स्रोत की मॉड्यूलेशन दर अपेक्षाकृत उच्च होती है, और समायोज्य लेजर की स्वीप गति आमतौर पर 10 pm/μs तक पहुंचने की आवश्यकता होती है। इसके अतिरिक्त, तरंगदैर्ध्य-ट्यूनेबल नैरो लाइनविड्थ लेजर का उपयोग LiDAR, लेजर रिमोट सेंसिंग, उच्च-रिज़ॉल्यूशन स्पेक्ट्रल विश्लेषण और अन्य सेंसिंग क्षेत्रों में भी व्यापक रूप से किया जा सकता है। फाइबर सेंसिंग के क्षेत्र में एकल-तरंगदैर्ध्य लेजरों की ट्यूनिंग बैंडविड्थ, ट्यूनिंग सटीकता और ट्यूनिंग गति जैसे उच्च प्रदर्शन मापदंडों की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए, हाल के वर्षों में ट्यूनेबल नैरो-विड्थ फाइबर लेजरों के अध्ययन का समग्र लक्ष्य अति-संकीर्ण लेजर लाइनविड्थ, अति-निम्न चरण शोर और अति-स्थिर आउटपुट आवृत्ति और शक्ति को प्राप्त करने के आधार पर एक व्यापक तरंगदैर्ध्य सीमा में उच्च-सटीकता ट्यूनिंग प्राप्त करना है।

1.3 श्वेत लेजर प्रकाश स्रोत की मांग

ऑप्टिकल सेंसिंग के क्षेत्र में, सिस्टम के प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए उच्च गुणवत्ता वाले श्वेत प्रकाश लेजर का 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 बनाने के लिए फाइबर ब्रैग ग्रेटिंग (FBG) का उपयोग करते समय, स्पेक्ट्रल विश्लेषण या ट्यूनेबल फिल्टर मैचिंग विधि का उपयोग डीमॉड्यूलेशन के लिए किया जा सकता है। पहली विधि में नेटवर्क में प्रत्येक FBG की अनुनाद तरंगदैर्ध्य का सीधे परीक्षण करने के लिए स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग किया जाता है। दूसरी विधि में सेंसिंग के दौरान FBG को ट्रैक और कैलिब्रेट करने के लिए एक संदर्भ फिल्टर का उपयोग किया जाता है, और दोनों विधियों में FBG के परीक्षण प्रकाश स्रोत के रूप में एक ब्रॉडबैंड प्रकाश स्रोत की आवश्यकता होती है। चूंकि प्रत्येक FBG एक्सेस नेटवर्क में एक निश्चित इंसर्शन लॉस होता है और इसकी बैंडविड्थ 0.1 nm से अधिक होती है, इसलिए कई FBG के एक साथ डीमॉड्यूलेशन के लिए उच्च शक्ति और उच्च बैंडविड्थ वाले ब्रॉडबैंड प्रकाश स्रोत की आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए, जब संवेदन के लिए लंबी अवधि के फाइबर ग्रेटिंग (LPFG) का उपयोग किया जाता है, तो एकल हानि शिखर की बैंडविड्थ लगभग 10 nm होती है, इसलिए इसके अनुनाद शिखर की विशेषताओं को सटीक रूप से निर्धारित करने के लिए पर्याप्त बैंडविड्थ और अपेक्षाकृत सपाट स्पेक्ट्रम वाले व्यापक स्पेक्ट्रम प्रकाश स्रोत की आवश्यकता होती है। विशेष रूप से, ध्वनिक-प्रकाशिक प्रभाव का उपयोग करके निर्मित ध्वनिक फाइबर ग्रेटिंग (AIFG) विद्युत ट्यूनिंग के माध्यम से 1000 nm तक की अनुनाद तरंगदैर्ध्य की ट्यूनिंग सीमा प्राप्त कर सकती है। इसलिए, इतनी व्यापक ट्यूनिंग सीमा के साथ गतिशील ग्रेटिंग परीक्षण व्यापक स्पेक्ट्रम प्रकाश स्रोत की बैंडविड्थ सीमा के लिए एक बड़ी चुनौती पेश करता है। इसी प्रकार, हाल के वर्षों में, फाइबर संवेदन के क्षेत्र में टिल्टेड 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 nm तक पहुंच सकती है। इसकी संवेदन क्रियाविधि आमतौर पर कई संचरण शिखरों के बीच सापेक्ष गति 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 वाला अर्धचालक वितरित फीडबैक लेजर

2006 में, क्लिचे एट अल. ने सेमीकंडक्टर के मेगाहर्ट्ज स्केल को कम कर दिया।डीएफबी लेजरविद्युत फीडबैक विधि का उपयोग करके (वितरित फीडबैक लेजर) को kHz स्केल तक बढ़ाया गया; 2011 में, केसलर एट अल. ने कम तापमान और उच्च स्थिरता वाले एकल क्रिस्टल कैविटी को सक्रिय फीडबैक नियंत्रण के साथ मिलाकर 40 मेगाहर्ट्ज का अल्ट्रा-नैरो लाइनविड्थ लेजर आउटपुट प्राप्त किया; 2013 में, पेंग एट अल. ने बाह्य फैब्री-पेरोट (FP) फीडबैक समायोजन विधि का उपयोग करके 15 kHz लाइनविड्थ वाला सेमीकंडक्टर लेजर आउटपुट प्राप्त किया। विद्युत फीडबैक विधि में मुख्य रूप से प्रकाश स्रोत के लेजर लाइनविड्थ को कम करने के लिए पॉन्ड-ड्रेवर-हॉल आवृत्ति स्थिरीकरण फीडबैक का उपयोग किया गया। 2010 में, बर्नहार्डी एट अल. ने सिलिकॉन ऑक्साइड सब्सट्रेट पर 1 सेमी एर्बियम-डॉप्ड एल्यूमिना FBG का उत्पादन करके लगभग 1.7 kHz लाइनविड्थ वाला लेजर आउटपुट प्राप्त किया। उसी वर्ष, लियांग एट अल. चित्र 1 में दिखाए गए अनुसार, सेमीकंडक्टर लेजर लाइन-चौड़ाई संपीड़न के लिए उच्च-क्यू प्रतिध्वनि दीवार अनुनादक द्वारा गठित पश्चगामी रेले प्रकीर्णन के स्व-इंजेक्शन फीडबैक का उपयोग किया गया, और अंततः 160 हर्ट्ज का एक संकीर्ण लाइन-चौड़ाई लेजर आउटपुट प्राप्त किया गया।

चित्र 1 (ए) बाह्य व्हिस्परिंग गैलरी मोड रेज़ोनेटर के स्व-इंजेक्शन रेले स्कैटरिंग पर आधारित सेमीकंडक्टर लेजर लाइनविड्थ संपीड़न का आरेख;
(b) 8 मेगाहर्ट्ज की लाइनविड्थ वाले फ्री रनिंग सेमीकंडक्टर लेजर का आवृत्ति स्पेक्ट्रम;
(c) लेज़र का आवृत्ति स्पेक्ट्रम जिसकी लाइनविड्थ को 160 हर्ट्ज़ तक संकुचित किया गया है
2.1.2 संकीर्ण लाइनविड्थ फाइबर लेजर

लीनियर कैविटी फाइबर लेज़रों के लिए, एकल अनुदैर्ध्य मोड का संकीर्ण लाइनविड्थ लेज़र आउटपुट अनुनादक की लंबाई को कम करके और अनुदैर्ध्य मोड अंतराल को बढ़ाकर प्राप्त किया जाता है। 2004 में, स्पीगेलबर्ग एट अल. ने डीबीआर शॉर्ट कैविटी विधि का उपयोग करके 2 किलोहर्ट्ज़ की लाइनविड्थ वाला एकल अनुदैर्ध्य मोड संकीर्ण लाइनविड्थ लेज़र आउटपुट प्राप्त किया। 2007 में, शेन एट अल. ने 2 सेमी के अत्यधिक एर्बियम-डॉप्ड सिलिकॉन फाइबर का उपयोग करके एक बाई-जीई सह-डॉप्ड फोटोसेंसिटिव फाइबर पर एफबीजी लिखा और इसे एक सक्रिय फाइबर के साथ फ्यूज करके एक कॉम्पैक्ट लीनियर कैविटी बनाई, जिससे इसके लेज़र आउटपुट की लाइनविड्थ 1 किलोहर्ट्ज़ से कम हो गई। 2010 में, यांग एट अल. ने 2 सेमी की अत्यधिक डॉप्ड शॉर्ट लीनियर कैविटी को नैरोबैंड एफबीजी फिल्टर के साथ मिलाकर 2 किलोहर्ट्ज़ से कम लाइनविड्थ वाला एकल अनुदैर्ध्य मोड लेज़र आउटपुट प्राप्त किया। 2014 में, टीम ने एक छोटी रैखिक गुहा (आभासी मुड़ी हुई रिंग रेज़ोनेटर) को FBG-FP फ़िल्टर के साथ मिलाकर संकीर्ण लाइन चौड़ाई वाला लेज़र आउटपुट प्राप्त किया, जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है। 2012 में, कै एट अल. ने 1.4 सेमी की छोटी गुहा संरचना का उपयोग करके 114 मेगावाट से अधिक आउटपुट शक्ति, 1540.3 एनएम की केंद्रीय तरंगदैर्ध्य और 4.1 किलोहर्ट्ज़ की लाइन चौड़ाई वाला ध्रुवीकरण लेज़र आउटपुट प्राप्त किया। 2013 में, मेंग एट अल. ने पूर्ण-बायस संरक्षण उपकरण की छोटी रिंग गुहा के साथ एर्बियम-मिश्रित फाइबर के ब्रिलौइन प्रकीर्णन का उपयोग करके 10 मेगावाट की आउटपुट शक्ति वाला एकल-अनुदैर्ध्य मोड, कम-चरण शोर वाला लेज़र आउटपुट प्राप्त किया। 2015 में, टीम ने कम थ्रेशोल्ड और संकीर्ण लाइन चौड़ाई वाला लेज़र आउटपुट प्राप्त करने के लिए ब्रिलौइन प्रकीर्णन लाभ माध्यम के रूप में 45 सेमी एर्बियम-मिश्रित फाइबर से बनी रिंग गुहा का उपयोग किया।

चित्र 2 (ए) एसएलसी फाइबर लेजर का योजनाबद्ध आरेख;
(b) 97.6 किमी फाइबर विलंब के साथ मापा गया हेटरोडाइन सिग्नल का लाइनशेप