ऑप्टिकल फायबर सेन्सिंग भाग एकसाठी लेझर स्रोत तंत्रज्ञान

साठी लेसर स्रोत तंत्रज्ञानऑप्टिकल फायबरसंवेदना भाग एक

ऑप्टिकल फायबर सेन्सिंग तंत्रज्ञान हे ऑप्टिकल फायबर तंत्रज्ञान आणि ऑप्टिकल फायबर कम्युनिकेशन तंत्रज्ञानासह विकसित केलेले एक प्रकारचे संवेदन तंत्रज्ञान आहे आणि ते फोटोइलेक्ट्रिक तंत्रज्ञानाच्या सर्वात सक्रिय शाखांपैकी एक बनले आहे. ऑप्टिकल फायबर सेन्सिंग सिस्टममध्ये प्रामुख्याने लेसर, ट्रान्समिशन फायबर, सेन्सिंग एलिमेंट किंवा मॉड्युलेशन एरिया, लाइट डिटेक्शन आणि इतर भाग असतात. प्रकाश तरंगाच्या वैशिष्ट्यांचे वर्णन करणाऱ्या पॅरामीटर्समध्ये तीव्रता, तरंगलांबी, फेज, ध्रुवीकरण स्थिती इ. हे पॅरामीटर्स ऑप्टिकल फायबर ट्रान्समिशनमध्ये बाह्य प्रभावाने बदलले जाऊ शकतात. उदाहरणार्थ, जेव्हा तापमान, ताण, दाब, विद्युत् प्रवाह, विस्थापन, कंपन, रोटेशन, वाकणे आणि रासायनिक प्रमाण ऑप्टिकल मार्गावर परिणाम करतात, तेव्हा हे पॅरामीटर्स अनुरूप 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 विसंगत प्रकाश स्रोत, विसंगतप्रकाश स्रोतमुख्यतः इनॅन्डेन्सेंट लाइट आणि प्रकाश-उत्सर्जक डायोडचा समावेश होतो आणि सुसंगत प्रकाश स्रोतांमध्ये घन लेसर, लिक्विड लेसर, गॅस लेसर,सेमीकंडक्टर लेसरआणिफायबर लेसर. खालील मुख्यतः साठी आहेलेसर प्रकाश स्रोतअलिकडच्या वर्षांत फायबर सेन्सिंगच्या क्षेत्रात मोठ्या प्रमाणावर वापरले जाते: अरुंद रेषा रुंदी सिंगल-फ्रिक्वेंसी लेसर, सिंगल-वेव्हलेंथ स्वीप फ्रिक्वेन्सी लेसर आणि पांढरा लेसर.

1.1 अरुंद लाइनविड्थसाठी आवश्यकतालेसर प्रकाश स्रोत

ऑप्टिकल फायबर सेन्सिंग सिस्टमला लेसर स्त्रोतापासून वेगळे केले जाऊ शकत नाही, कारण मोजलेले सिग्नल वाहक प्रकाश लहरी, लेसर प्रकाश स्रोत स्वतः कार्यप्रदर्शन, जसे की पॉवर स्थिरता, लेसर लाइनविड्थ, फेज नॉइज आणि ऑप्टिकल फायबर सेन्सिंग सिस्टम डिटेक्शन अंतरावरील इतर पॅरामीटर्स. अचूकता, संवेदनशीलता आणि आवाज वैशिष्ट्ये निर्णायक भूमिका बजावतात. अलिकडच्या वर्षांत, लांब-अंतराच्या अल्ट्रा-हाय रिझोल्यूशन ऑप्टिकल फायबर सेन्सिंग सिस्टमच्या विकासासह, शैक्षणिक आणि उद्योगांनी लेझर लघुकरणाच्या लाइनविड्थ कार्यक्षमतेसाठी अधिक कठोर आवश्यकता पुढे रेटल्या आहेत, मुख्यतः: ऑप्टिकल फ्रिक्वेन्सी डोमेन रिफ्लेक्शन (OFDR) तंत्रज्ञान सुसंगत वापरते. विस्तृत कव्हरेजसह (हजारो मीटर) फ्रिक्वेंसी डोमेनमध्ये ऑप्टिकल फायबरच्या बॅकरेलेघ विखुरलेल्या सिग्नलचे विश्लेषण करण्यासाठी शोध तंत्रज्ञान. उच्च रिझोल्यूशन (मिलीमीटर-लेव्हल रिझोल्यूशन) आणि उच्च संवेदनशीलता (-100 dBm पर्यंत) चे फायदे वितरीत ऑप्टिकल फायबर मापन आणि सेन्सिंग तंत्रज्ञानामध्ये विस्तृत अनुप्रयोग संभावनांसह तंत्रज्ञान बनले आहेत. ऑप्टिकल फ्रिक्वेन्सी ट्युनिंग साध्य करण्यासाठी ट्यून करण्यायोग्य प्रकाश स्रोत वापरणे हे OFDR तंत्रज्ञानाचा मुख्य भाग आहे, त्यामुळे लेसर स्त्रोताचे कार्यप्रदर्शन OFDR शोध श्रेणी, संवेदनशीलता आणि रिझोल्यूशन यासारखे प्रमुख घटक निर्धारित करते. जेव्हा परावर्तन बिंदूचे अंतर सुसंगत लांबीच्या जवळ असते, तेव्हा बीट सिग्नलची तीव्रता τ/τc गुणांकाने वेगाने कमी केली जाईल. स्पेक्ट्रल आकार असलेल्या गॉसियन प्रकाश स्रोतासाठी, बीट वारंवारता 90% पेक्षा जास्त दृश्यमानता आहे याची खात्री करण्यासाठी, प्रकाश स्रोताच्या रेषेची रुंदी आणि सिस्टम प्राप्त करू शकणारी कमाल संवेदना लांबी यांच्यातील संबंध Lmax~0.04vg आहे. /f, याचा अर्थ 80 किमी लांबीच्या फायबरसाठी, प्रकाश स्रोताची रेषा रुंदी 100 Hz पेक्षा कमी आहे. याव्यतिरिक्त, इतर अनुप्रयोगांच्या विकासामुळे प्रकाश स्रोताच्या लाइनविड्थसाठी उच्च आवश्यकता देखील समोर येतात. उदाहरणार्थ, ऑप्टिकल फायबर हायड्रोफोन सिस्टीममध्ये, प्रकाश स्रोताची लाइनविड्थ सिस्टमचा आवाज निर्धारित करते आणि सिस्टमचे किमान मोजण्यायोग्य सिग्नल देखील निर्धारित करते. ब्रिल्युइन ऑप्टिकल टाइम डोमेन रिफ्लेक्टर (बीओटीडीआर) मध्ये, तापमान आणि तणावाचे मापन रिझोल्यूशन मुख्यत्वे प्रकाश स्रोताच्या रेषेवर आधारित आहे. रेझोनेटर फायबर ऑप्टिक गायरोमध्ये, प्रकाश स्रोताच्या रेषेची रुंदी कमी करून प्रकाश लहरीची सुसंगतता लांबी वाढवता येते, ज्यामुळे रेझोनेटरची सूक्ष्मता आणि रेझोनन्स खोली सुधारते, रेझोनेटरची रेषेची रुंदी कमी होते आणि मोजमाप सुनिश्चित होते. फायबर ऑप्टिक गायरोची अचूकता.

1.2 स्वीप लेसर स्त्रोतांसाठी आवश्यकता

सिंगल वेव्हलेंथ स्वीप लेसरमध्ये लवचिक तरंगलांबी ट्यूनिंग कार्यप्रदर्शन आहे, एकाधिक आउटपुट निश्चित तरंगलांबी लेसर बदलू शकते, सिस्टम बांधकाम खर्च कमी करू शकते, ऑप्टिकल फायबर सेन्सिंग सिस्टमचा एक अपरिहार्य भाग आहे. उदाहरणार्थ, ट्रेस गॅस फायबर सेन्सिंगमध्ये, वेगवेगळ्या प्रकारच्या वायूंमध्ये वेगवेगळ्या वायू शोषण शिखरे असतात. मापन वायू पुरेसा असताना प्रकाश शोषण कार्यक्षमता सुनिश्चित करण्यासाठी आणि उच्च मापन संवेदनशीलता प्राप्त करण्यासाठी, वायू रेणूच्या शोषण शिखरासह प्रसारण प्रकाश स्रोताची तरंगलांबी संरेखित करणे आवश्यक आहे. शोधल्या जाऊ शकणाऱ्या वायूचा प्रकार मूलत: संवेदन प्रकाश स्रोताच्या तरंगलांबीद्वारे निर्धारित केला जातो. म्हणून, स्थिर ब्रॉडबँड ट्यूनिंग कार्यक्षमतेसह अरुंद लाइनविड्थ लेसरमध्ये अशा सेन्सिंग सिस्टममध्ये उच्च मापन लवचिकता असते. उदाहरणार्थ, ऑप्टिकल फ्रिक्वेन्सी डोमेन रिफ्लेक्शनवर आधारित काही वितरीत ऑप्टिकल फायबर सेन्सिंग सिस्टममध्ये, उच्च-परिशुद्धता सुसंगत शोध आणि ऑप्टिकल सिग्नलचे डिमॉड्युलेशन साध्य करण्यासाठी लेसरला वेळोवेळी वेगाने स्वीप करणे आवश्यक आहे, त्यामुळे लेसर स्त्रोताच्या मॉड्युलेशन रेटला तुलनेने उच्च आवश्यकता आहे. , आणि समायोज्य लेसरची स्वीप गती सहसा 10 pm/μs पर्यंत पोहोचणे आवश्यक असते. याव्यतिरिक्त, तरंगलांबी ट्यून करण्यायोग्य अरुंद लाइनविड्थ लेसर liDAR, लेसर रिमोट सेन्सिंग आणि उच्च-रिझोल्यूशन स्पेक्ट्रल विश्लेषण आणि इतर सेन्सिंग फील्डमध्ये देखील मोठ्या प्रमाणावर वापरले जाऊ शकते. फायबर सेन्सिंगच्या क्षेत्रात ट्युनिंग बँडविड्थ, ट्युनिंग अचूकता आणि सिंगल-वेव्हलेंथ लेसरच्या ट्यूनिंग गतीच्या उच्च कार्यक्षमतेच्या मापदंडांच्या आवश्यकतांची पूर्तता करण्यासाठी, अलिकडच्या वर्षांत ट्यून करण्यायोग्य अरुंद-रुंदीच्या फायबर लेसरचा अभ्यास करण्याचे एकूण उद्दिष्ट साध्य करणे हे आहे. अल्ट्रा-नॅरो लेसर लाइनविड्थ, अल्ट्रा-लो फेज नॉइज आणि अल्ट्रा-स्टेबल आउटपुट फ्रिक्वेन्सी आणि पॉवरचा पाठपुरावा करण्याच्या आधारावर मोठ्या तरंगलांबीच्या श्रेणीमध्ये अचूक ट्यूनिंग.

1.3 पांढऱ्या लेसर प्रकाश स्रोताची मागणी

ऑप्टिकल सेन्सिंगच्या क्षेत्रात, सिस्टमची कार्यक्षमता सुधारण्यासाठी उच्च-गुणवत्तेच्या पांढर्या प्रकाश लेसरला खूप महत्त्व आहे. व्हाईट लाइट लेसरचे स्पेक्ट्रम कव्हरेज जितके विस्तृत असेल तितकेच ऑप्टिकल फायबर सेन्सिंग सिस्टममध्ये त्याचा वापर अधिक व्यापक असेल. उदाहरणार्थ, सेन्सर नेटवर्क तयार करण्यासाठी फायबर ब्रॅग ग्रेटिंग (FBG) वापरताना, स्पेक्ट्रल विश्लेषण किंवा ट्यूनेबल फिल्टर जुळणी पद्धत डिमॉड्युलेशनसाठी वापरली जाऊ शकते. नेटवर्कमधील प्रत्येक FBG रेझोनंट तरंगलांबीची थेट चाचणी करण्यासाठी आधीच्या स्पेक्ट्रोमीटरचा वापर केला. नंतरचे संवेदनामध्ये FBG चा मागोवा घेण्यासाठी आणि कॅलिब्रेट करण्यासाठी संदर्भ फिल्टर वापरते, या दोन्हीसाठी FBG साठी चाचणी प्रकाश स्रोत म्हणून ब्रॉडबँड प्रकाश स्रोत आवश्यक आहे. कारण प्रत्येक FBG ऍक्सेस नेटवर्कमध्ये विशिष्ट इन्सर्टेशन लॉस असेल आणि 0.1 nm पेक्षा जास्त बँडविड्थ असेल, एकाधिक FBG च्या एकाचवेळी डिमॉड्युलेशनसाठी उच्च पॉवर आणि उच्च बँडविड्थसह ब्रॉडबँड प्रकाश स्रोत आवश्यक आहे. उदाहरणार्थ, संवेदनासाठी दीर्घ काळातील फायबर ग्रेटिंग (LPFG) वापरताना, एकाच नुकसानीच्या शिखराची बँडविड्थ 10 nm च्या क्रमाने असल्याने, पुरेशी बँडविड्थ आणि तुलनेने सपाट स्पेक्ट्रम असलेले विस्तृत स्पेक्ट्रम प्रकाश स्रोत त्याच्या रेझोनंटचे अचूक वर्णन करण्यासाठी आवश्यक आहे. शिखर वैशिष्ट्ये. विशेषत:, ध्वनिक-ऑप्टिकल प्रभावाचा वापर करून तयार केलेले ध्वनिक फायबर ग्रेटिंग (एआयएफजी) इलेक्ट्रिकल ट्यूनिंगद्वारे 1000 एनएम पर्यंत रेझोनंट तरंगलांबीची ट्युनिंग श्रेणी प्राप्त करू शकते. म्हणून, अशा अल्ट्रा-वाइड ट्यूनिंग श्रेणीसह डायनॅमिक ग्रेटिंग चाचणी विस्तृत-स्पेक्ट्रम प्रकाश स्रोताच्या बँडविड्थ श्रेणीसाठी एक मोठे आव्हान आहे. त्याचप्रमाणे, अलिकडच्या वर्षांत, झुकलेल्या ब्रॅग फायबर जाळीचा देखील फायबर सेन्सिंग क्षेत्रात मोठ्या प्रमाणावर वापर केला जात आहे. त्याच्या मल्टी-पीक लॉस स्पेक्ट्रम वैशिष्ट्यांमुळे, तरंगलांबी वितरण श्रेणी सामान्यतः 40 एनएमपर्यंत पोहोचू शकते. त्याची संवेदन यंत्रणा बहुधा अनेक ट्रान्समिशन शिखरांमधील सापेक्ष हालचालींची तुलना करण्यासाठी असते, त्यामुळे त्याचे ट्रान्समिशन स्पेक्ट्रम पूर्णपणे मोजणे आवश्यक असते. विस्तृत स्पेक्ट्रम प्रकाश स्रोताची बँडविड्थ आणि शक्ती जास्त असणे आवश्यक आहे.

2. देश-विदेशातील संशोधन स्थिती

2.1 अरुंद रेषाविड्थ लेसर प्रकाश स्रोत

2.1.1 अरुंद लाइनविड्थ सेमीकंडक्टर वितरित फीडबॅक लेसर

2006 मध्ये, Cliche et al. सेमीकंडक्टरचे मेगाहर्ट्झ स्केल कमी केलेDFB लेसरइलेक्ट्रिकल फीडबॅक पद्धत वापरून kHz स्केलपर्यंत (वितरित फीडबॅक लेसर); 2011 मध्ये, केसलर आणि इतर. 40 मेगाहर्ट्झचे अल्ट्रा-नॅरो लाइनविड्थ लेसर आउटपुट मिळविण्यासाठी सक्रिय फीडबॅक नियंत्रणासह एकत्रित कमी तापमान आणि उच्च स्थिरता एकल क्रिस्टल पोकळी वापरली; 2013 मध्ये, Peng et al ने बाह्य Fabry-Perot (FP) फीडबॅक समायोजन पद्धतीचा वापर करून 15 kHz च्या लाइनविड्थसह अर्धसंवाहक लेसर आउटपुट प्राप्त केले. विद्युत अभिप्राय पद्धतीमध्ये प्रकाश स्रोताची लेसर लाइनविड्थ कमी करण्यासाठी मुख्यतः पॉन्ड-ड्रेव्हर-हॉल वारंवारता स्थिरीकरण अभिप्राय वापरला जातो. 2010 मध्ये, बर्नहार्डी आणि इतर. सुमारे 1.7 kHz च्या रेषेच्या रुंदीसह लेसर आउटपुट मिळविण्यासाठी सिलिकॉन ऑक्साईड सब्सट्रेटवर 1 सेमी एर्बियम-डोपड ॲल्युमिना FBG तयार केले. त्याच वर्षी, लियांग एट अल. आकृती 1 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, सेमीकंडक्टर लेसर लाइन-रुंदी कॉम्प्रेशनसाठी हाय-क्यू इको वॉल रेझोनेटरद्वारे तयार केलेल्या बॅकवर्ड रेले स्कॅटरिंगचा सेल्फ-इंजेक्शन फीडबॅक वापरला आणि शेवटी 160 Hz चे अरुंद लाइन-रुंदीचे लेसर आउटपुट प्राप्त केले.

अंजीर. 1 (अ) बाह्य व्हिस्परिंग गॅलरी मोड रेझोनेटरच्या स्व-इंजेक्शन रेले स्कॅटरिंगवर आधारित सेमीकंडक्टर लेसर लाइनविड्थ कॉम्प्रेशनचा आकृती;
(b) 8 मेगाहर्ट्झच्या लाइनविड्थसह फ्री रनिंग सेमीकंडक्टर लेसरची वारंवारता स्पेक्ट्रम;
(c) 160 Hz पर्यंत संकुचित केलेल्या लाइनविड्थसह लेसरचा वारंवारता स्पेक्ट्रम
2.1.2 अरुंद लाइनविड्थ फायबर लेसर

रेखीय पोकळी फायबर लेसरसाठी, रेझोनेटरची लांबी कमी करून आणि रेखांशाचा मोड मध्यांतर वाढवून सिंगल रेखांशाचा मोडचा अरुंद रेषेचा विड्थ लेसर आउटपुट प्राप्त केला जातो. 2004 मध्ये, स्पीगेलबर्ग आणि इतर. DBR शॉर्ट कॅव्हिटी पद्धत वापरून 2 kHz च्या लाइनविड्थसह सिंगल रेखांशाचा मोड अरुंद लाइनविड्थ लेसर आउटपुट प्राप्त केले. 2007 मध्ये, शेन एट अल. Bi-Ge सह-डोप केलेल्या प्रकाशसंवेदनशील फायबरवर FBG लिहिण्यासाठी 2 सेमी भारी एर्बियम-डोप केलेले सिलिकॉन फायबर वापरले आणि कॉम्पॅक्ट रेषीय पोकळी तयार करण्यासाठी त्यास सक्रिय फायबरसह जोडले, ज्यामुळे त्याची लेसर आउटपुट लाइन रुंदी 1 kHz पेक्षा कमी झाली. 2010 मध्ये, यांग एट अल. 2 kHz पेक्षा कमी रेषेच्या रुंदीसह सिंगल रेखांशाचा मोड लेसर आउटपुट मिळविण्यासाठी नॅरोबँड FBG फिल्टरसह 2cm उच्च डोप केलेली लहान रेखीय पोकळी वापरली. 2014 मध्ये, आकृती 3 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, संघाने एक लहान रेषीय पोकळी (व्हर्च्युअल फोल्ड रिंग रेझोनेटर) वापरून FBG-FP फिल्टरसह लेसर आउटपुट प्राप्त केले. 114 mW पेक्षा जास्त आउटपुट पॉवर, 1540.3 nm मध्यवर्ती तरंगलांबी आणि 4.1 kHz च्या रेषेची रुंदी असलेले ध्रुवीकरण लेसर आउटपुट मिळविण्यासाठी 1.4cm लहान पोकळी रचना वापरली. 2013 मध्ये, मेंग एट अल. एकल-रेखांशाचा मोड, 10 mW च्या आउटपुट पॉवरसह लो-फेज नॉइज लेसर आउटपुट मिळविण्यासाठी फुल-बायस प्रिझर्विंग डिव्हाइसच्या लहान रिंग पोकळीसह एर्बियम-डोपड फायबरचे ब्रिल्युइन स्कॅटरिंग वापरले. 2015 मध्ये, संघाने कमी थ्रेशोल्ड आणि अरुंद लाइनविड्थ लेसर आउटपुट प्राप्त करण्यासाठी ब्रिल्युइन स्कॅटरिंग गेन माध्यम म्हणून 45 सेमी एर्बियम-डोपड फायबर बनलेली रिंग पोकळी वापरली.

अंजीर 2 (a) SLC फायबर लेसरचे योजनाबद्ध रेखाचित्र;
(b) 97.6 किमी फायबर विलंबाने मोजले जाणारे हेटरोडायन सिग्नलचे रेखाचित्र