ऑप्टिकल फायबर सेन्सिंगसाठी लेसर सोर्स तंत्रज्ञान भाग एक

साठी लेसर स्रोत तंत्रज्ञानऑप्टिकल फायबरसेन्सिंग भाग एक

ऑप्टिकल फायबर सेन्सिंग तंत्रज्ञान हे ऑप्टिकल फायबर तंत्रज्ञान आणि ऑप्टिकल फायबर कम्युनिकेशन तंत्रज्ञानासोबत विकसित केलेले एक प्रकारचे सेन्सिंग तंत्रज्ञान आहे आणि ते फोटोइलेक्ट्रिक तंत्रज्ञानाच्या सर्वात सक्रिय शाखांपैकी एक बनले आहे. ऑप्टिकल फायबर सेन्सिंग सिस्टम प्रामुख्याने लेसर, ट्रान्समिशन फायबर, सेन्सिंग घटक किंवा मॉड्युलेशन क्षेत्र, प्रकाश शोध आणि इतर भागांपासून बनलेले आहे. प्रकाश लाटांच्या वैशिष्ट्यांचे वर्णन करणारे पॅरामीटर्समध्ये तीव्रता, तरंगलांबी, टप्पा, ध्रुवीकरण स्थिती इत्यादींचा समावेश आहे. ऑप्टिकल फायबर ट्रान्समिशनमधील बाह्य प्रभावांमुळे हे पॅरामीटर्स बदलू शकतात. उदाहरणार्थ, जेव्हा तापमान, ताण, दाब, प्रवाह, विस्थापन, कंपन, रोटेशन, वाकणे आणि रासायनिक प्रमाण ऑप्टिकल मार्गावर परिणाम करतात तेव्हा हे पॅरामीटर्स त्यानुसार बदलतात. ऑप्टिकल फायबर सेन्सिंग संबंधित भौतिक प्रमाण शोधण्यासाठी या पॅरामीटर्स आणि बाह्य घटकांमधील संबंधांवर आधारित आहे.

अनेक प्रकार आहेतलेसर स्रोतऑप्टिकल फायबर सेन्सिंग सिस्टीममध्ये वापरले जाते, जे दोन श्रेणींमध्ये विभागले जाऊ शकते: सुसंगतलेसर स्रोतआणि असंगत प्रकाश स्रोत, असंगतप्रकाश स्रोतप्रामुख्याने इनॅन्डेन्सेंट लाइट आणि प्रकाश-उत्सर्जक डायोड्सचा समावेश आहे आणि सुसंगत प्रकाश स्रोतांमध्ये घन लेसर, द्रव लेसर, वायू लेसर,अर्धवाहक लेसरआणिफायबर लेसर. खालील मुख्यतः साठी आहेलेसर प्रकाश स्रोतअलिकडच्या वर्षांत फायबर सेन्सिंगच्या क्षेत्रात मोठ्या प्रमाणावर वापरले जाणारे: अरुंद रेषा रुंदीचा एकल-फ्रिक्वेंसी लेसर, एकल-तरंगलांबी स्वीप फ्रिक्वेंसी लेसर आणि पांढरा लेसर.

१.१ अरुंद रेषेची रुंदीसाठी आवश्यकतालेसर प्रकाश स्रोत

ऑप्टिकल फायबर सेन्सिंग सिस्टम लेसर स्रोतापासून वेगळे करता येत नाही, कारण मोजलेले सिग्नल कॅरियर लाइट वेव्ह, लेसर प्रकाश स्रोत स्वतःची कामगिरी, जसे की पॉवर स्थिरता, लेसर लाइनविड्थ, फेज नॉइज आणि ऑप्टिकल फायबर सेन्सिंग सिस्टमवरील इतर पॅरामीटर्स शोध अंतर, शोध अचूकता, संवेदनशीलता आणि आवाज वैशिष्ट्ये निर्णायक भूमिका बजावतात. अलिकडच्या वर्षांत, लांब-अंतराच्या अल्ट्रा-हाय रिझोल्यूशन ऑप्टिकल फायबर सेन्सिंग सिस्टमच्या विकासासह, शैक्षणिक संस्था आणि उद्योगांनी लेसर लघुकरणाच्या लाइनविड्थ कामगिरीसाठी अधिक कठोर आवश्यकता मांडल्या आहेत, मुख्यतः: ऑप्टिकल फ्रिक्वेन्सी डोमेन रिफ्लेक्शन (OFDR) तंत्रज्ञान फ्रिक्वेन्सी डोमेनमधील ऑप्टिकल फायबरच्या बॅकरेले विखुरलेल्या सिग्नलचे विश्लेषण करण्यासाठी सुसंगत शोध तंत्रज्ञानाचा वापर करते, ज्यामध्ये विस्तृत कव्हरेज (हजारो मीटर) आहे. उच्च रिझोल्यूशन (मिलीमीटर-स्तरीय रिझोल्यूशन) आणि उच्च संवेदनशीलता (-100 dBm पर्यंत) चे फायदे वितरित ऑप्टिकल फायबर मापन आणि सेन्सिंग तंत्रज्ञानामध्ये विस्तृत अनुप्रयोग शक्यता असलेल्या तंत्रज्ञानांपैकी एक बनले आहेत. OFDR तंत्रज्ञानाचा गाभा म्हणजे ऑप्टिकल फ्रिक्वेन्सी ट्यूनिंग साध्य करण्यासाठी ट्यून करण्यायोग्य प्रकाश स्रोत वापरणे, म्हणून लेसर स्त्रोताचे कार्यप्रदर्शन OFDR शोध श्रेणी, संवेदनशीलता आणि रिझोल्यूशन सारखे प्रमुख घटक ठरवते. जेव्हा परावर्तन बिंदू अंतर सुसंगत लांबीच्या जवळ असते, तेव्हा बीट सिग्नलची तीव्रता τ/τc गुणांकाने घातांकीयरित्या कमी केली जाईल. वर्णक्रमीय आकार असलेल्या गॉसियन प्रकाश स्रोतासाठी, बीट फ्रिक्वेन्सीची दृश्यमानता 90% पेक्षा जास्त आहे याची खात्री करण्यासाठी, प्रकाश स्रोताची रेषा रुंदी आणि सिस्टम साध्य करू शकणारी कमाल सेन्सिंग लांबी यांच्यातील संबंध Lmax~0.04vg/f आहे, याचा अर्थ असा की 80 किमी लांबी असलेल्या फायबरसाठी, प्रकाश स्रोताची रेषा रुंदी 100 Hz पेक्षा कमी आहे. याव्यतिरिक्त, इतर अनुप्रयोगांच्या विकासामुळे प्रकाश स्रोताच्या रेषा रुंदीसाठी उच्च आवश्यकता देखील पुढे आणल्या जातात. उदाहरणार्थ, ऑप्टिकल फायबर हायड्रोफोन सिस्टममध्ये, प्रकाश स्रोताची रेषा रुंदी सिस्टमचा आवाज निर्धारित करते आणि सिस्टमचा किमान मोजता येणारा सिग्नल देखील निर्धारित करते. ब्रिलोइन ऑप्टिकल टाइम डोमेन रिफ्लेक्टर (BOTDR) मध्ये, तापमान आणि ताणाचे मापन रिझोल्यूशन प्रामुख्याने प्रकाश स्रोताच्या रेषा रुंदीद्वारे निश्चित केले जाते. रेझोनेटर फायबर ऑप्टिक गायरोमध्ये, प्रकाश स्रोताची रेषा रुंदी कमी करून प्रकाश लहरींची सुसंगत लांबी वाढवता येते, ज्यामुळे रेझोनेटरची सूक्ष्मता आणि अनुनाद खोली सुधारते, रेझोनेटरची रेषा रुंदी कमी होते आणि फायबर ऑप्टिक गायरोची मापन अचूकता सुनिश्चित होते.

१.२ स्वीप लेसर स्रोतांसाठी आवश्यकता

सिंगल वेव्हलेंथ स्वीप लेसरमध्ये लवचिक वेव्हलेंथ ट्यूनिंग कार्यक्षमता असते, ती अनेक आउटपुट फिक्स्ड वेव्हलेंथ लेसर बदलू शकते, सिस्टम बांधकामाची किंमत कमी करते, ऑप्टिकल फायबर सेन्सिंग सिस्टमचा एक अपरिहार्य भाग आहे. उदाहरणार्थ, ट्रेस गॅस फायबर सेन्सिंगमध्ये, वेगवेगळ्या प्रकारच्या वायूंमध्ये वेगवेगळे वायू शोषण शिखर असतात. मापन वायू पुरेसा असताना प्रकाश शोषण कार्यक्षमता सुनिश्चित करण्यासाठी आणि उच्च मापन संवेदनशीलता प्राप्त करण्यासाठी, ट्रान्समिशन प्रकाश स्रोताची तरंगलांबी वायू रेणूच्या शोषण शिखराशी संरेखित करणे आवश्यक आहे. शोधता येणारा वायूचा प्रकार मूलतः सेन्सिंग प्रकाश स्रोताच्या तरंगलांबीद्वारे निश्चित केला जातो. म्हणून, स्थिर ब्रॉडबँड ट्यूनिंग कामगिरीसह अरुंद लाइनविड्थ लेसरमध्ये अशा सेन्सिंग सिस्टममध्ये उच्च मापन लवचिकता असते. उदाहरणार्थ, ऑप्टिकल फ्रिक्वेन्सी डोमेन रिफ्लेक्शनवर आधारित काही वितरित ऑप्टिकल फायबर सेन्सिंग सिस्टममध्ये, ऑप्टिकल सिग्नलचे उच्च-परिशुद्धता सुसंगत शोध आणि डिमॉड्युलेशन साध्य करण्यासाठी लेसरला वेळोवेळी जलद स्वीप करणे आवश्यक आहे, म्हणून लेसर स्त्रोताच्या मॉड्युलेशन रेटला तुलनेने उच्च आवश्यकता असतात आणि समायोज्य लेसरची स्वीप गती सहसा 10 pm/μs पर्यंत पोहोचणे आवश्यक असते. याव्यतिरिक्त, तरंगलांबी ट्यून करण्यायोग्य अरुंद लाइनविड्थ लेसरचा वापर liDAR, लेसर रिमोट सेन्सिंग आणि उच्च-रिझोल्यूशन स्पेक्ट्रल विश्लेषण आणि इतर सेन्सिंग फील्डमध्ये मोठ्या प्रमाणावर केला जाऊ शकतो. फायबर सेन्सिंगच्या क्षेत्रात ट्यूनिंग बँडविड्थ, ट्यूनिंग अचूकता आणि सिंगल-वेव्हलेंथ लेसरच्या ट्यूनिंग गतीच्या उच्च कार्यक्षमतेच्या पॅरामीटर्सच्या आवश्यकता पूर्ण करण्यासाठी, अलिकडच्या वर्षांत ट्यून करण्यायोग्य अरुंद-विड्थ फायबर लेसरचा अभ्यास करण्याचे एकूण ध्येय म्हणजे अल्ट्रा-नॅरो लेसर लाइनविड्थ, अल्ट्रा-लो फेज नॉइज आणि अल्ट्रा-स्टेबल आउटपुट फ्रिक्वेन्सी आणि पॉवरचा पाठपुरावा करून मोठ्या तरंगलांबी श्रेणीमध्ये उच्च-परिशुद्धता ट्यूनिंग प्राप्त करणे.

१.३ पांढऱ्या लेसर प्रकाश स्रोताची मागणी

ऑप्टिकल सेन्सिंगच्या क्षेत्रात, सिस्टमची कार्यक्षमता सुधारण्यासाठी उच्च-गुणवत्तेचा पांढरा प्रकाश लेसर खूप महत्वाचा आहे. पांढरा प्रकाश लेसरचा स्पेक्ट्रम कव्हरेज जितका विस्तृत असेल तितका ऑप्टिकल फायबर सेन्सिंग सिस्टममध्ये त्याचा वापर अधिक व्यापक असेल. उदाहरणार्थ, सेन्सर नेटवर्क तयार करण्यासाठी फायबर ब्रॅग ग्रेटिंग (FBG) वापरताना, डिमॉड्युलेशनसाठी स्पेक्ट्रोमीटर किंवा ट्यून करण्यायोग्य फिल्टर जुळवणी पद्धत वापरली जाऊ शकते. नेटवर्कमधील प्रत्येक FBG रेझोनंट तरंगलांबी थेट तपासण्यासाठी स्पेक्ट्रोमीटर वापरला. नंतरचा सेन्सिंगमध्ये FBG ट्रॅक करण्यासाठी आणि कॅलिब्रेट करण्यासाठी संदर्भ फिल्टर वापरतो, या दोन्हीसाठी FBG साठी चाचणी प्रकाश स्रोत म्हणून ब्रॉडबँड प्रकाश स्रोत आवश्यक असतो. कारण प्रत्येक FBG प्रवेश नेटवर्कमध्ये एक विशिष्ट इन्सर्शन लॉस असेल आणि त्याची बँडविड्थ 0.1 nm पेक्षा जास्त असेल, अनेक FBG च्या एकाच वेळी डिमॉड्युलेशनसाठी उच्च पॉवर आणि उच्च बँडविड्थसह ब्रॉडबँड प्रकाश स्रोत आवश्यक आहे. उदाहरणार्थ, सेन्सिंगसाठी लॉंग पीरियड फायबर ग्रेटिंग (LPFG) वापरताना, सिंगल लॉस पीकची बँडविड्थ 10 nm च्या क्रमाने असल्याने, त्याच्या रेझोनंट पीक वैशिष्ट्यांचे अचूक वर्णन करण्यासाठी पुरेसा बँडविड्थ आणि तुलनेने सपाट स्पेक्ट्रम असलेला ब्रॉड स्पेक्ट्रम प्रकाश स्रोत आवश्यक आहे. विशेषतः, ध्वनिक-ऑप्टिकल प्रभावाचा वापर करून तयार केलेले ध्वनिक फायबर ग्रेटिंग (AIFG) इलेक्ट्रिकल ट्यूनिंगद्वारे 1000 nm पर्यंत रेझोनंट तरंगलांबीची ट्यूनिंग श्रेणी प्राप्त करू शकते. म्हणून, अशा अल्ट्रा-वाइड ट्यूनिंग श्रेणीसह डायनॅमिक ग्रेटिंग चाचणी वाइड-स्पेक्ट्रम प्रकाश स्रोताच्या बँडविड्थ श्रेणीसाठी एक मोठे आव्हान आहे. त्याचप्रमाणे, अलिकडच्या वर्षांत, फायबर सेन्सिंगच्या क्षेत्रात झुकलेले ब्रॅग फायबर ग्रेटिंग देखील मोठ्या प्रमाणात वापरले गेले आहे. त्याच्या मल्टी-पीक लॉस स्पेक्ट्रम वैशिष्ट्यांमुळे, तरंगलांबी वितरण श्रेणी सामान्यतः 40 nm पर्यंत पोहोचू शकते. त्याची सेन्सिंग यंत्रणा सहसा अनेक ट्रान्समिशन पीकमधील सापेक्ष हालचालींची तुलना करण्यासाठी असते, म्हणून त्याचे ट्रान्समिशन स्पेक्ट्रम पूर्णपणे मोजणे आवश्यक आहे. वाइड स्पेक्ट्रम प्रकाश स्रोताची बँडविड्थ आणि शक्ती जास्त असणे आवश्यक आहे.

२. देशांतर्गत आणि परदेशात संशोधनाची स्थिती

२.१ अरुंद रेषेची रुंदी असलेला लेसर प्रकाश स्रोत

२.१.१ अरुंद रेषेची रुंदी अर्धवाहक वितरित अभिप्राय लेसर

२००६ मध्ये, क्लिश आणि इतरांनी सेमीकंडक्टरचा MHz स्केल कमी केलाडीएफबी लेसर(वितरित अभिप्राय लेसर) विद्युत अभिप्राय पद्धतीचा वापर करून kHz स्केलवर; २०११ मध्ये, केसलर आणि इतरांनी कमी तापमान आणि उच्च स्थिरता असलेल्या सिंगल क्रिस्टल कॅव्हिटीचा वापर सक्रिय अभिप्राय नियंत्रणासह एकत्रित करून ४० MHz चे अल्ट्रा-नॅरो लाइनविड्थ लेसर आउटपुट मिळवले; २०१३ मध्ये, पेंग आणि इतरांनी बाह्य फॅब्री-पेरोट (FP) अभिप्राय समायोजन पद्धतीचा वापर करून १५ kHz च्या लाइनविड्थसह सेमीकंडक्टर लेसर आउटपुट मिळवला. विद्युत अभिप्राय पद्धतीमध्ये प्रामुख्याने पॉन्ड-ड्रेव्हर-हॉल फ्रिक्वेन्सी स्टॅबिलायझेशन फीडबॅकचा वापर केला गेला जेणेकरून प्रकाश स्रोताची लेसर लाइनविड्थ कमी होईल. २०१० मध्ये, बर्नहार्डी आणि इतरांनी सिलिकॉन ऑक्साईड सब्सट्रेटवर १ सेमी एर्बियम-डोपेड अॅल्युमिना FBG तयार केले जेणेकरून सुमारे १.७ kHz च्या रेषेची रुंदी असलेले लेसर आउटपुट मिळेल. त्याच वर्षी, लियांग आणि इतरांनी. आकृती १ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, सेमीकंडक्टर लेसर लाइन-विड्थ कॉम्प्रेशनसाठी हाय-क्यू इको वॉल रेझोनेटरद्वारे तयार केलेल्या बॅकवर्ड रेले स्कॅटरिंगच्या सेल्फ-इंजेक्शन फीडबॅकचा वापर केला आणि शेवटी १६० हर्ट्झचा अरुंद लाइन-विड्थ लेसर आउटपुट मिळवला.

आकृती १ (अ) बाह्य व्हिस्परिंग गॅलरी मोड रेझोनेटरच्या स्व-इंजेक्शन रेले स्कॅटरिंगवर आधारित सेमीकंडक्टर लेसर लाइनविड्थ कॉम्प्रेशनचा आकृती;
(b) ८ मेगाहर्ट्झच्या लाइनविड्थसह फ्री रनिंग सेमीकंडक्टर लेसरचा फ्रिक्वेन्सी स्पेक्ट्रम;
(c) १६० हर्ट्झ पर्यंत संकुचित केलेल्या रेषेची रुंदी असलेल्या लेसरचा वारंवारता स्पेक्ट्रम
२.१.२ अरुंद रेषेची रुंदी फायबर लेसर

रेषीय पोकळी फायबर लेसरसाठी, रेझोनेटरची लांबी कमी करून आणि रेषीय मोड मध्यांतर वाढवून सिंगल लॉन्ग्युटिनल मोडचे नॅरो लाइनविड्थ लेसर आउटपुट मिळवले जाते. २००४ मध्ये, स्पीगलबर्ग आणि इतरांनी DBR शॉर्ट कॅव्हिटी पद्धतीचा वापर करून २ kHz च्या लाइनविड्थसह सिंगल लॉन्ग्युटिनल मोड नॅरो लाइनविड्थ लेसर आउटपुट मिळवला. २००७ मध्ये, शेन आणि इतरांनी बाय-जी को-डोप्ड फोटोसेन्सिटिव्ह फायबरवर FBG लिहिण्यासाठी २ सेमी हेवी एर्बियम-डोप्ड सिलिकॉन फायबरचा वापर केला आणि कॉम्पॅक्ट रेषीय पोकळी तयार करण्यासाठी सक्रिय फायबरसह ते फ्यूज केले, ज्यामुळे त्याची लेसर आउटपुट लाइन रुंदी १ kHz पेक्षा कमी झाली. २०१० मध्ये, यांग आणि इतरांनी २ kHz पेक्षा कमी रेषीय पोकळी असलेल्या एका अरुंद बँड FBG फिल्टरसह एकत्रित केलेल्या २ सेमी हाय डोप्ड शॉर्ट रेषीय पोकळीचा वापर केला आणि २ kHz पेक्षा कमी रेषीय मोड लेसर आउटपुट मिळवला. २०१४ मध्ये, टीमने आकृती ३ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, अरुंद रेषेची रुंदी असलेले लेसर आउटपुट मिळविण्यासाठी FBG-FP फिल्टरसह एकत्रित केलेल्या एका लहान रेषीय पोकळी (व्हर्च्युअल फोल्डेड रिंग रेझोनेटर) चा वापर केला. २०१२ मध्ये, काई आणि इतरांनी ११४ मेगावॅटपेक्षा जास्त आउटपुट पॉवर, १५४०.३ एनएमची मध्यवर्ती तरंगलांबी आणि ४.१ केएचझेडची रेषेची रुंदी असलेले ध्रुवीकरण करणारे लेसर आउटपुट मिळविण्यासाठी १.४ सेमी लहान पोकळी रचना वापरली. २०१३ मध्ये, मेंग आणि इतरांनी १० मेगावॅटच्या आउटपुट पॉवरसह सिंगल-रेखीय मोड, लो-फेज नॉइज लेसर आउटपुट मिळविण्यासाठी फुल-बायस प्रिझर्विंग डिव्हाइसच्या लहान रिंग पोकळीसह एर्बियम-डोपेड फायबरचे ब्रिलौइन स्कॅटरिंग वापरले. २०१५ मध्ये, टीमने कमी थ्रेशोल्ड आणि अरुंद रेषेची रुंदी लेसर आउटपुट मिळविण्यासाठी ब्रिलौइन स्कॅटरिंग गेन माध्यम म्हणून ४५ सेमी एर्बियम-डोपेड फायबरने बनलेली रिंग पोकळी वापरली.

आकृती २ (अ) एसएलसी फायबर लेसरचे योजनाबद्ध रेखाचित्र;
(b) 97.6 किमी फायबर विलंबाने मोजलेल्या हेटरोडाइन सिग्नलचा रेषीय आकार