ऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग भाग एक के लिए लेजर स्रोत प्रौद्योगिकी

लेजर स्रोत प्रौद्योगिकी के लिएप्रकाशित तंतुभाग एक को समझना

ऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग तकनीक एक प्रकार की सेंसिंग तकनीक है जिसे ऑप्टिकल फाइबर तकनीक और ऑप्टिकल फाइबर संचार तकनीक के साथ विकसित किया गया 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 स्थिति आदि शामिल हैं। इन मापदंडों को ऑप्टिकल फाइबर ट्रांसमिशन में बाहरी प्रभावों द्वारा बदला जा सकता है।उदाहरण के लिए, जब तापमान, तनाव, दबाव, करंट, विस्थापन, कंपन, घूर्णन, झुकने और रासायनिक मात्रा ऑप्टिकल पथ को प्रभावित करते हैं, तो ये पैरामीटर तदनुसार बदल जाते हैं।ऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग संबंधित भौतिक मात्रा का पता लगाने के लिए इन मापदंडों और बाहरी कारकों के बीच संबंध पर आधारित है।

ये 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 के 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 मुख्यतः के लिए हैलेजर प्रकाश स्रोतहाल के वर्षों में फाइबर सेंसिंग के क्षेत्र में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है: संकीर्ण रेखा 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 सिग्नल वाहक प्रकाश तरंग, लेजर प्रकाश स्रोत स्वयं प्रदर्शन, जैसे कि बिजली स्थिरता, लेजर लिनिविथ, चरण शोर और ऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग सिस्टम पर अन्य पैरामीटर का पता लगाने की दूरी, पहचान सटीकता, संवेदनशीलता और शोर विशेषताएँ निर्णायक भूमिका निभाती हैं।हाल के वर्षों में, लंबी दूरी की अल्ट्रा-हाई रेजोल्यूशन ऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग प्रणालियों के विकास के साथ, शिक्षा जगत और उद्योग ने लेजर लघुकरण के लाइनविड्थ प्रदर्शन के लिए और अधिक कठोर आवश्यकताओं को सामने रखा है, मुख्य रूप से: ऑप्टिकल फ्रीक्वेंसी डोमेन रिफ्लेक्शन (ओएफडीआर) तकनीक सुसंगत का उपयोग करती है व्यापक कवरेज (हजारों मीटर) के साथ, आवृत्ति डोमेन में ऑप्टिकल फाइबर के बैकरेले बिखरे हुए संकेतों का विश्लेषण करने के लिए डिटेक्शन तकनीक।उच्च रिज़ॉल्यूशन (मिलीमीटर-स्तर रिज़ॉल्यूशन) और उच्च संवेदनशीलता (-100 डीबीएम तक) के फायदे वितरित ऑप्टिकल फाइबर माप और सेंसिंग प्रौद्योगिकी में व्यापक अनुप्रयोग संभावनाओं वाली प्रौद्योगिकियों में से एक बन गए हैं।ओएफडीआर तकनीक का मूल ऑप्टिकल आवृत्ति ट्यूनिंग प्राप्त करने के लिए ट्यून करने योग्य प्रकाश स्रोत का उपयोग करना है, इसलिए लेजर स्रोत का प्रदर्शन ओएफडीआर 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 गुणांक τ/τc द्वारा तेजी से क्षीण हो जाएगी।वर्णक्रमीय आकार वाले गॉसियन प्रकाश स्रोत के लिए, यह सुनिश्चित करने के लिए कि बीट आवृत्ति की दृश्यता 90% से अधिक है, प्रकाश स्रोत की लाइन चौड़ाई और सिस्टम द्वारा प्राप्त की जा सकने वाली अधिकतम संवेदन लंबाई के बीच संबंध Lmax~0.04vg है /एफ, जिसका अर्थ है कि 80 किमी 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 सामने रखा है।उदाहरण के लिए, ऑप्टिकल फाइबर हाइड्रोफोन सिस्टम में, प्रकाश स्रोत की लाइनविड्थ सिस्टम के शोर को निर्धारित करती है और सिस्टम के न्यूनतम मापने योग्य सिग्नल को भी निर्धारित करती है।ब्रिलोइन ऑप्टिकल टाइम डोमेन रिफ्लेक्टर (बीओटीडीआर) में, तापमान और तनाव का माप रिज़ॉल्यूशन मुख्य रूप से प्रकाश स्रोत की लाइनविड्थ द्वारा निर्धारित किया जाता है।एक रेज़ोनेटर फाइबर ऑप्टिक जाइरो में, प्रकाश स्रोत की लाइन चौड़ाई को कम करके प्रकाश तरंग की सुसंगत लंबाई को बढ़ाया जा सकता है, जिससे रेज़ोनेटर की सुंदरता और अनुनाद गहराई में सुधार होता है, रेज़ोनेटर की लाइन चौड़ाई कम होती है, और माप सुनिश्चित होता है फाइबर ऑप्टिक जाइरो की सटीकता।

1.2 स्वीप लेजर स्रोतों के लिए आवश्यकताएँ

एकल तरंग दैर्ध्य स्वीप लेजर में लचीला तरंग दैर्ध्य ट्यूनिंग प्रदर्शन होता है, जो कई आउटपुट निश्चित तरंग दैर्ध्य लेजर को प्रतिस्थापित कर 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, ट्रांसमिशन प्रकाश स्रोत की तरंग दैर्ध्य को गैस अणु के अवशोषण शिखर के साथ संरेखित करना आवश्यक है।जिस प्रकार की गैस का पता लगाया जा सकता है वह अनिवार्य रूप से संवेदन प्रकाश स्रोत की तरंग दैर्ध्य 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 फ़्रीक्वेंसी डोमेन प्रतिबिंब के आधार पर कुछ वितरित ऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग सिस्टम में, ऑप्टिकल सिग्नल की उच्च-परिशुद्धता सुसंगत पहचान और डिमॉड्यूलेशन प्राप्त करने के लिए लेजर को समय-समय पर तेजी से स्वीप करने की आवश्यकता होती है, इसलिए लेजर स्रोत की मॉड्यूलेशन दर की अपेक्षाकृत उच्च आवश्यकताएं होती हैं। , और समायोज्य लेजर की स्वीप गति को आमतौर पर 10 pm/μs तक पहुंचने की आवश्यकता होती है।इसके अलावा, तरंग दैर्ध्य ट्यून करने योग्य संकीर्ण लाइनविड्थ लेजर का उपयोग liDAR, लेजर रिमोट सेंसिंग और उच्च-रिज़ॉल्यूशन वर्णक्रमीय विश्लेषण और अन्य सेंसिंग क्षेत्रों में भी व्यापक रूप से किया जा सकता है।फाइबर सेंसिंग के क्षेत्र में ट्यूनिंग बैंडविड्थ, ट्यूनिंग सटीकता और एकल-तरंग दैर्ध्य लेजर की ट्यूनिंग गति के उच्च प्रदर्शन मापदंडों 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 उच्च- प्राप्त करना है। अल्ट्रा-संकीर्ण लेजर लाइनविड्थ, अल्ट्रा-लो चरण शोर और अल्ट्रा-स्थिर आउटपुट आवृत्ति और पावर को आगे बढ़ाने के आधार पर एक बड़ी तरंग दैर्ध्य रेंज में सटीक ट्यूनिंग।

1.3 सफेद लेजर प्रकाश स्रोत की मांग

ऑप्टिकल सेंसिंग के क्षेत्र में, सिस्टम के प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए उच्च गुणवत्ता वाले सफेद प्रकाश लेजर का बहुत महत्व है।श्वेत प्रकाश लेजर का स्पेक्ट्रम कवरेज जितना व्यापक होगा, ऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग सिस्टम में इसका अनुप्रयोग उतना ही अधिक व्यापक होगा।उदाहरण के लिए, सेंसर नेटवर्क के निर्माण के लिए फाइबर ब्रैग ग्रेटिंग (एफबीजी) का उपयोग करते समय, डिमॉड्यूलेशन के लिए वर्णक्रमीय विश्लेषण या ट्यून करने योग्य फ़िल्टर मिलान विधि का उपयोग किया जा सकता है।पूर्व ने नेटवर्क में प्रत्येक एफबीजी गुंजयमान तरंग दैर्ध्य का सीधे परीक्षण करने के लिए एक स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग किया।उत्तरार्द्ध सेंसिंग में एफबीजी को ट्रैक और कैलिब्रेट करने के लिए एक संदर्भ फ़िल्टर का उपयोग करता है, दोनों को एफबीजी के लिए परीक्षण प्रकाश स्रोत के रूप में ब्रॉडबैंड प्रकाश स्रोत की आवश्यकता होती है।क्योंकि प्रत्येक एफबीजी एक्सेस नेटवर्क में एक निश्चित प्रविष्टि हानि होगी, और 0.1 एनएम से अधिक की बैंडविड्थ होगी, एकाधिक एफबीजी के एक साथ डिमॉड्यूलेशन के लिए उच्च शक्ति और उच्च बैंडविड्थ वाले ब्रॉडबैंड प्रकाश स्रोत की आवश्यकता होती है।उदाहरण के लिए, सेंसिंग के लिए लंबी अवधि के फाइबर ग्रेटिंग (एलपीएफजी) का उपयोग करते समय, चूंकि एकल हानि शिखर की बैंडविड्थ 10 एनएम के क्रम में होती है, इसलिए इसके अनुनाद को सटीक रूप से चिह्नित करने के लिए पर्याप्त बैंडविड्थ और अपेक्षाकृत सपाट स्पेक्ट्रम के साथ एक व्यापक स्पेक्ट्रम प्रकाश स्रोत की आवश्यकता होती है। चरम विशेषताएँ.विशेष रूप से, एकॉस्टो-ऑप्टिकल प्रभाव का उपयोग करके निर्मित ध्वनिक फाइबर ग्रेटिंग (एआईएफजी) विद्युत ट्यूनिंग के माध्यम से 1000 एनएम तक गुंजयमान तरंग दैर्ध्य की ट्यूनिंग रेंज प्राप्त कर सकता है।इसलिए, ऐसी अल्ट्रा-वाइड ट्यूनिंग रेंज के साथ गतिशील ग्रेटिंग परीक्षण एक विस्तृत-स्पेक्ट्रम प्रकाश स्रोत की बैंडविड्थ रेंज के लिए एक बड़ी चुनौती पेश करता है।इसी तरह, हाल के वर्षों में, झुके हुए ब्रैग फाइबर ग्रेटिंग का भी फाइबर सेंसिंग के क्षेत्र में व्यापक रूप से उपयोग किया गया है।इसकी बहु-शिखर हानि स्पेक्ट्रम विशेषताओं के कारण, तरंग दैर्ध्य वितरण सीमा आमतौर पर 40 एनएम तक पहुंच सकती है।इसका संवेदन तंत्र आमतौर पर कई ट्रांसमिशन शिखरों के बीच सापेक्ष आंदोलन की तुलना करने के लिए होता है, इसलिए इसके ट्रांसमिशन 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 लेजर प्रकाश स्रोत

2.1.1 संकीर्ण लाइनविड्थ अर्धचालक वितरित फीडबैक लेजर

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

चित्र 1 (ए) बाहरी फुसफुसाहट गैलरी मोड रेज़ोनेटर के स्व-इंजेक्शन रेले स्कैटरिंग पर आधारित सेमीकंडक्टर लेजर लाइनविड्थ संपीड़न का आरेख;
(बी) 8 मेगाहर्ट्ज की लाइनविड्थ के साथ मुक्त चलने वाले अर्धचालक लेजर की आवृत्ति स्पेक्ट्रम;
(सी) 160 हर्ट्ज तक संपीड़ित लाइनविड्थ के साथ लेजर का आवृत्ति स्पेक्ट्रम
2.1.2 नैरो लाइनविड्थ फाइबर लेजर

रैखिक गुहा फाइबर लेजर के लिए, एकल अनुदैर्ध्य मोड का संकीर्ण लाइनविड्थ लेजर आउटपुट अनुनादक की लंबाई को छोटा करके और अनुदैर्ध्य मोड अंतराल को बढ़ाकर प्राप्त किया जाता है।2004 में, स्पीगलबर्ग एट अल।डीबीआर शॉर्ट कैविटी विधि का उपयोग करके 2 kHz की लाइनविड्थ के साथ एकल अनुदैर्ध्य मोड संकीर्ण लाइनविड्थ लेजर आउटपुट प्राप्त किया।2007 में, शेन एट अल।Bi-Ge को-डोप्ड फोटोसेंसिटिव फाइबर पर FBG लिखने के लिए 2 सेमी भारी अर्बियम-डॉप्ड सिलिकॉन फाइबर का उपयोग किया गया, और इसे एक कॉम्पैक्ट रैखिक गुहा बनाने के लिए एक सक्रिय फाइबर के साथ जोड़ा गया, जिससे इसकी लेजर आउटपुट लाइन की चौड़ाई 1 किलोहर्ट्ज़ से कम हो गई।2010 में, यांग एट अल।2 किलोहर्ट्ज़ से कम की लाइन चौड़ाई के साथ एकल अनुदैर्ध्य मोड लेजर आउटपुट प्राप्त करने के लिए एक नैरोबैंड एफबीजी फ़िल्टर के साथ संयुक्त 2 सेमी अत्यधिक डोप्ड लघु रैखिक गुहा का उपयोग किया गया।2014 में, टीम ने एक संकीर्ण लाइन चौड़ाई के साथ लेजर आउटपुट प्राप्त करने के लिए एफबीजी-एफपी फिल्टर के साथ मिलकर एक छोटी रैखिक गुहा (वर्चुअल फोल्डेड रिंग रेज़ोनेटर) का उपयोग किया, जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है। 2012 में, कै एट अल।114 मेगावाट से अधिक आउटपुट पावर, 1540.3 एनएम की केंद्रीय तरंग दैर्ध्य और 4.1 kHz की लाइन चौड़ाई के साथ ध्रुवीकरण लेजर आउटपुट प्राप्त करने के लिए 1.4 सेमी छोटी गुहा संरचना का उपयोग किया गया।2013 में, मेंग एट अल।10 मेगावाट की आउटपुट पावर के साथ एकल-अनुदैर्ध्य मोड, कम-चरण शोर लेजर आउटपुट प्राप्त करने के लिए एक पूर्ण-पूर्वाग्रह संरक्षण उपकरण की एक छोटी रिंग गुहा के साथ एर्बियम-डोप्ड फाइबर के ब्रिलोइन बिखरने का उपयोग किया जाता है।2015 में, टीम ने कम थ्रेशोल्ड और संकीर्ण लाइनविथ लेजर आउटपुट प्राप्त करने के लिए ब्रिलोइन स्कैटरिंग गेन माध्यम के रूप में 45 सेमी एर्बियम-डोप्ड फाइबर से बनी एक रिंग कैविटी का उपयोग किया।

चित्र 2 (ए) एसएलसी फाइबर लेजर का योजनाबद्ध चित्रण;
(बी) 97.6 किमी फाइबर विलंब के साथ मापा गया हेटेरोडाइन सिग्नल का लाइनशेप