ऑप्टिकल फायबर सेन्सिंगसाठी लेझर स्रोत तंत्रज्ञान भाग एक

लेझर स्रोत तंत्रज्ञानासाठीऑप्टिकल फायबरसंवेदन भाग एक

ऑप्टिकल फायबर सेन्सिंग तंत्रज्ञान हे ऑप्टिकल फायबर तंत्रज्ञान आणि ऑप्टिकल फायबर कम्युनिकेशन तंत्रज्ञानासोबत विकसित झालेले एक प्रकारचे सेन्सिंग तंत्रज्ञान आहे, आणि ते फोटोइलेक्ट्रिक तंत्रज्ञानाच्या सर्वात सक्रिय शाखांपैकी एक बनले आहे. ऑप्टिकल फायबर सेन्सिंग प्रणालीमध्ये प्रामुख्याने लेझर, ट्रान्समिशन फायबर, सेन्सिंग घटक किंवा मॉड्युलेशन क्षेत्र, प्रकाश शोधन आणि इतर भागांचा समावेश असतो. प्रकाश लहरींची वैशिष्ट्ये वर्णन करणाऱ्या पॅरामीटर्समध्ये तीव्रता, तरंगलांबी, फेज, ध्रुवीकरण स्थिती इत्यादींचा समावेश होतो. ऑप्टिकल फायबर ट्रान्समिशनमध्ये बाह्य प्रभावांमुळे हे पॅरामीटर्स बदलू शकतात. उदाहरणार्थ, जेव्हा तापमान, ताण, दाब, विद्युत प्रवाह, विस्थापन, कंपन, फिरणे, वाकणे आणि रासायनिक प्रमाण प्रकाशीय मार्गावर परिणाम करतात, तेव्हा हे पॅरामीटर्स त्यानुसार बदलतात. ऑप्टिकल फायबर सेन्सिंग हे या पॅरामीटर्स आणि बाह्य घटकांमधील संबंधांवर आधारित असते, ज्याद्वारे संबंधित भौतिक राशी शोधल्या जातात.

अनेक प्रकार आहेतलेझर स्रोतऑप्टिकल फायबर सेन्सिंग सिस्टीममध्ये वापरले जाते, ज्याचे दोन श्रेणींमध्ये वर्गीकरण केले जाऊ शकते: सुसंगतलेझर स्रोतआणि असंगत प्रकाश स्रोत, असंगतप्रकाश स्रोतमुख्यतः तापदीप्त दिवा आणि प्रकाश-उत्सर्जक डायोड यांचा समावेश होतो, आणि सुसंगत प्रकाश स्रोतांमध्ये घन लेझर, द्रव लेझर, वायू लेझर यांचा समावेश होतो.सेमीकंडक्टर लेझरआणिफायबर लेझरखालील मुख्यत्वे यांच्यासाठी आहेलेझर प्रकाश स्रोतअलिकडच्या वर्षांत फायबर सेन्सिंगच्या क्षेत्रात मोठ्या प्रमाणावर वापरले जाणारे: नॅरो लाइन विड्थ सिंगल-फ्रिक्वेन्सी लेझर, सिंगल-वेव्हलेंथ स्वीप फ्रिक्वेन्सी लेझर आणि व्हाइट लेझर.

१.१ अरुंद रेषेच्या रुंदीसाठीच्या आवश्यकतालेझर प्रकाश स्रोत

ऑप्टिकल फायबर सेन्सिंग प्रणाली लेझर स्रोतापासून वेगळी करता येत नाही, कारण मोजल्या जाणाऱ्या सिग्नलची वाहक प्रकाश तरंग म्हणून, लेझर प्रकाश स्रोताची स्वतःची कार्यक्षमता, जसे की पॉवर स्थिरता, लेझर लाइनविड्थ, फेज नॉइज आणि इतर पॅरामीटर्स, ऑप्टिकल फायबर सेन्सिंग प्रणालीचे शोध अंतर, शोध अचूकता, संवेदनशीलता आणि नॉइज वैशिष्ट्ये यांवर निर्णायक भूमिका बजावतात. अलिकडच्या वर्षांत, लांब पल्ल्याच्या अति-उच्च रिझोल्यूशन ऑप्टिकल फायबर सेन्सिंग प्रणालींच्या विकासामुळे, शैक्षणिक आणि औद्योगिक क्षेत्रांनी लेझरच्या लघुकरणाच्या लाइनविड्थ कार्यक्षमतेसाठी अधिक कठोर आवश्यकता ठेवल्या आहेत. हे प्रामुख्याने ऑप्टिकल फ्रिक्वेन्सी डोमेन रिफ्लेक्शन (OFDR) तंत्रज्ञानामध्ये दिसून येते, जे सुसंगत शोध तंत्रज्ञानाचा वापर करून फ्रिक्वेन्सी डोमेनमध्ये ऑप्टिकल फायबरच्या बॅकरेले स्कॅटर्ड सिग्नलचे विश्लेषण करते आणि त्याची व्याप्ती (हजारो मीटर) विस्तृत असते. उच्च रिझोल्यूशन (मिलीमीटर-स्तरीय रिझोल्यूशन) आणि उच्च संवेदनशीलता (-100 dBm पर्यंत) या फायद्यांमुळे, हे तंत्रज्ञान वितरित ऑप्टिकल फायबर मापन आणि सेन्सिंग तंत्रज्ञानामध्ये व्यापक उपयोगाची शक्यता असलेले एक तंत्रज्ञान बनले आहे. OFDR तंत्रज्ञानाचा गाभा म्हणजे ऑप्टिकल फ्रिक्वेन्सी ट्यूनिंग साध्य करण्यासाठी ट्यून करण्यायोग्य प्रकाश स्रोताचा वापर करणे, त्यामुळे लेझर स्रोताची कार्यक्षमता OFDR शोध श्रेणी, संवेदनशीलता आणि रिझोल्यूशन यांसारखे महत्त्वाचे घटक ठरवते. जेव्हा परावर्तन बिंदूचे अंतर सुसंगत लांबीच्या जवळ असते, तेव्हा बीट सिग्नलची तीव्रता τ/τc या गुणांकाद्वारे घातांकीय पद्धतीने कमी होते. स्पेक्ट्रल आकार असलेल्या गॉसियन प्रकाश स्रोतासाठी, बीट फ्रिक्वेन्सीची दृश्यमानता ९०% पेक्षा जास्त असेल याची खात्री करण्यासाठी, प्रकाश स्रोताची लाइन रुंदी आणि प्रणाली साध्य करू शकणारी कमाल संवेदन लांबी यांच्यातील संबंध Lmax~0.04vg/f असा असतो, याचा अर्थ असा की ८० किमी लांबीच्या फायबरसाठी, प्रकाश स्रोताची लाइन रुंदी १०० Hz पेक्षा कमी असते. याव्यतिरिक्त, इतर अनुप्रयोगांच्या विकासामुळे प्रकाश स्रोताच्या लाइन रुंदीसाठी उच्च आवश्यकता निर्माण झाल्या आहेत. उदाहरणार्थ, ऑप्टिकल फायबर हायड्रोफोन प्रणालीमध्ये, प्रकाश स्रोताची लाइन रुंदी प्रणालीतील नॉईज ठरवते आणि प्रणालीचा किमान मोजता येण्याजोगा सिग्नल देखील ठरवते. ब्रिलुइन ऑप्टिकल टाइम डोमेन रिफ्लेक्टर (BOTDR) मध्ये, तापमान आणि ताणाचे मापन रिझोल्यूशन मुख्यत्वे प्रकाश स्रोताच्या लाइनविड्थवर अवलंबून असते. रेझोनेटर फायबर ऑप्टिक गायरोमध्ये, प्रकाश स्रोताची लाइनविड्थ कमी करून प्रकाश तरंगाची कोहेरन्स लांबी वाढवता येते, ज्यामुळे रेझोनेटरची सूक्ष्मता आणि अनुनाद खोली सुधारते, रेझोनेटरची लाइनविड्थ कमी होते आणि फायबर ऑप्टिक गायरोच्या मापनाची अचूकता सुनिश्चित होते.

१.२ स्वीप लेझर स्रोतांसाठी आवश्यकता

सिंगल वेव्हलेंथ स्वीप लेझरमध्ये लवचिक वेव्हलेंथ ट्यूनिंगची क्षमता असते, तो अनेक आउटपुट असलेल्या स्थिर वेव्हलेंथ लेझर्सची जागा घेऊ शकतो, सिस्टीमच्या उभारणीचा खर्च कमी करतो आणि ऑप्टिकल फायबर सेन्सिंग सिस्टीमचा एक अविभाज्य भाग आहे. उदाहरणार्थ, ट्रेस गॅस फायबर सेन्सिंगमध्ये, वेगवेगळ्या प्रकारच्या वायूंचे शोषण शिखर (absorption peaks) वेगवेगळे असतात. जेव्हा मोजमापासाठीचा वायू पुरेसा असतो, तेव्हा प्रकाश शोषणाची कार्यक्षमता सुनिश्चित करण्यासाठी आणि उच्च मापन संवेदनशीलता प्राप्त करण्यासाठी, प्रसारित प्रकाश स्रोताची वेव्हलेंथ वायूच्या रेणूंच्या शोषण शिखराशी जुळवणे आवश्यक असते. कोणत्या प्रकारचा वायू शोधला जाऊ शकतो, हे मूलतः सेन्सिंग प्रकाश स्रोताच्या वेव्हलेंथवर अवलंबून असते. त्यामुळे, अशा सेन्सिंग सिस्टीममध्ये स्थिर ब्रॉडबँड ट्यूनिंग क्षमता असलेल्या अरुंद लाइनविड्थच्या लेझर्समध्ये अधिक मापन लवचिकता असते. उदाहरणार्थ, ऑप्टिकल फ्रिक्वेन्सी डोमेन रिफ्लेक्शनवर आधारित काही वितरित ऑप्टिकल फायबर सेन्सिंग सिस्टीममध्ये, ऑप्टिकल सिग्नल्सचे उच्च-सुस्पष्ट सुसंगत डिटेक्शन आणि डिमॉड्युलेशन साध्य करण्यासाठी लेझरला वेगाने नियतकालिकरित्या स्वीप करणे आवश्यक असते, त्यामुळे लेझर स्रोताच्या मॉड्युलेशन दरासाठी तुलनेने उच्च आवश्यकता असतात आणि समायोजित करण्यायोग्य लेझरचा स्वीप वेग साधारणपणे 10 pm/μs पर्यंत पोहोचणे आवश्यक असते. याव्यतिरिक्त, तरंगलांबी-ट्यूनेबल नॅरो लाइनविड्थ लेझरचा वापर लिडार (liDAR), लेझर रिमोट सेन्सिंग, उच्च-रिझोल्यूशन स्पेक्ट्रल विश्लेषण आणि इतर सेन्सिंग क्षेत्रांमध्ये देखील मोठ्या प्रमाणावर केला जाऊ शकतो. फायबर सेन्सिंगच्या क्षेत्रात सिंगल-वेव्हलेंथ लेझर्सच्या ट्यूनिंग बँडविड्थ, ट्यूनिंग अचूकता आणि ट्यूनिंग गती या उच्च कार्यप्रदर्शन पॅरामीटर्सच्या गरजा पूर्ण करण्यासाठी, अलिकडच्या वर्षांत ट्यूनेबल नॅरो-विड्थ फायबर लेझर्सच्या अभ्यासाचे एकूण उद्दिष्ट हे आहे की, अत्यंत अरुंद लेझर लाइनविड्थ, अत्यंत कमी फेज नॉइज आणि अत्यंत स्थिर आउटपुट फ्रिक्वेन्सी व पॉवर यांचा पाठपुरावा करून मोठ्या तरंगलांबीच्या श्रेणीमध्ये उच्च-अचूक ट्यूनिंग साध्य करणे.

१.३ पांढऱ्या लेझर प्रकाश स्रोताची मागणी

ऑप्टिकल सेन्सिंगच्या क्षेत्रात, प्रणालीची कार्यक्षमता सुधारण्यासाठी उच्च-गुणवत्तेच्या पांढऱ्या प्रकाशाच्या लेझरला खूप महत्त्व आहे. पांढऱ्या प्रकाशाच्या लेझरचे स्पेक्ट्रम कव्हरेज जितके विस्तृत असेल, ऑप्टिकल फायबर सेन्सिंग प्रणालीमध्ये त्याचा वापर अधिक व्यापक होतो. उदाहरणार्थ, सेन्सर नेटवर्क तयार करण्यासाठी फायबर ब्रॅग ग्रेटिंग (FBG) वापरताना, डिमॉड्युलेशनसाठी स्पेक्ट्रल विश्लेषण किंवा ट्यूनेबल फिल्टर मॅचिंग पद्धत वापरली जाऊ शकते. पहिल्या पद्धतीत, नेटवर्कमधील प्रत्येक FBG च्या अनुनाद तरंगलांबीची थेट चाचणी करण्यासाठी स्पेक्ट्रोमीटरचा वापर केला जातो. दुसऱ्या पद्धतीत, सेन्सिंगमध्ये FBG चा मागोवा घेण्यासाठी आणि त्याला कॅलिब्रेट करण्यासाठी संदर्भ फिल्टरचा वापर केला जातो. या दोन्ही पद्धतींसाठी FBG करिता चाचणी प्रकाश स्रोत म्हणून ब्रॉडबँड प्रकाश स्रोताची आवश्यकता असते. प्रत्येक FBG ऍक्सेस नेटवर्कमध्ये एक विशिष्ट इन्सर्शन लॉस असतो आणि त्याची बँडविड्थ 0.1 nm पेक्षा जास्त असते, त्यामुळे अनेक FBG च्या एकाच वेळी डिमॉड्युलेशनसाठी उच्च शक्ती आणि उच्च बँडविड्थ असलेल्या ब्रॉडबँड प्रकाश स्रोताची आवश्यकता असते. उदाहरणार्थ, सेन्सिंगसाठी लाँग पिरियड फायबर ग्रेटिंग (LPFG) वापरताना, एका लॉस पीकची बँडविड्थ सुमारे १० nm असल्याने, त्याच्या रेझोनंट पीक वैशिष्ट्यांचे अचूकपणे वर्णन करण्यासाठी पुरेशी बँडविड्थ आणि तुलनेने सपाट स्पेक्ट्रम असलेल्या विस्तृत स्पेक्ट्रम प्रकाश स्रोताची आवश्यकता असते. विशेषतः, अकूस्टो-ऑप्टिकल इफेक्टचा वापर करून तयार केलेले अकूस्टिक फायबर ग्रेटिंग (AIFG) इलेक्ट्रिकल ट्यूनिंगद्वारे १००० nm पर्यंत रेझोनंट वेव्हलेंथची ट्यूनिंग रेंज साध्य करू शकते. त्यामुळे, अशा अति-विस्तृत ट्यूनिंग रेंजसह डायनॅमिक ग्रेटिंग चाचणी करणे हे विस्तृत-स्पेक्ट्रम प्रकाश स्रोताच्या बँडविड्थ रेंजसाठी एक मोठे आव्हान आहे. त्याचप्रमाणे, अलिकडच्या वर्षांत, फायबर सेन्सिंगच्या क्षेत्रात टिल्टेड ब्रॅग फायबर ग्रेटिंगचा देखील मोठ्या प्रमाणावर वापर केला गेला आहे. त्याच्या मल्टी-पीक लॉस स्पेक्ट्रम वैशिष्ट्यांमुळे, वेव्हलेंथ वितरणाची रेंज साधारणपणे ४० nm पर्यंत पोहोचू शकते. त्याची सेन्सिंग यंत्रणा सामान्यतः अनेक ट्रान्समिशन पीक्समधील सापेक्ष हालचालींची तुलना करणे ही असते, त्यामुळे त्याचा ट्रान्समिशन स्पेक्ट्रम पूर्णपणे मोजणे आवश्यक असते. विस्तृत स्पेक्ट्रम प्रकाश स्रोताची बँडविड्थ आणि पॉवर जास्त असणे आवश्यक असते.

२. देश-विदेशातील संशोधनाची स्थिती

२.१ अरुंद रेषा रुंदीचा लेझर प्रकाश स्रोत

२.१.१ अरुंद लाइनविड्थ सेमीकंडक्टर डिस्ट्रिब्युटेड फीडबॅक लेझर

२००६ मध्ये, क्लिचे आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी सेमीकंडक्टरची मेगाहर्ट्झ श्रेणी कमी केली.डीएफबी लेझरइलेक्ट्रिकल फीडबॅक पद्धतीचा वापर करून (डिस्ट्रिब्युटेड फीडबॅक लेझर) kHz स्केलपर्यंत; २०११ मध्ये, केसलर आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी कमी तापमान आणि उच्च स्थिरतेच्या सिंगल क्रिस्टल कॅव्हिटीचा सक्रिय फीडबॅक नियंत्रणासह वापर करून ४० MHz चे अत्यंत अरुंद लाइनविड्थ असलेले लेझर आउटपुट मिळवले; २०१३ मध्ये, पेंग आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी बाह्य फॅब्री-पेरो (FP) फीडबॅक ऍडजस्टमेंट पद्धतीचा वापर करून १५ kHz लाइनविड्थ असलेले सेमीकंडक्टर लेझर आउटपुट मिळवले. प्रकाश स्रोताची लेझर लाइनविड्थ कमी करण्यासाठी इलेक्ट्रिकल फीडबॅक पद्धतीमध्ये प्रामुख्याने पाँड-ड्रेव्हर-हॉल फ्रिक्वेन्सी स्टॅबिलायझेशन फीडबॅकचा वापर केला गेला. २०१० मध्ये, बर्नहार्डी आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी सिलिकॉन ऑक्साइड सबस्ट्रेटवर १ सेमी अर्बियम-डोपड ॲल्युमिना FBG तयार करून सुमारे १.७ kHz लाइनविड्थ असलेले लेझर आउटपुट मिळवले. त्याच वर्षी, लिआंग आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी... आकृती 1 मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, सेमीकंडक्टर लेसर लाइन-रुंदी संक्षेपणासाठी उच्च-Q इको वॉल रेझोनेटरद्वारे तयार केलेल्या बॅकवर्ड रेले स्कॅटरिंगच्या सेल्फ-इंजेक्शन फीडबॅकचा वापर केला आणि शेवटी 160 Hz चा अरुंद लाइन-रुंदी लेसर आउटपुट मिळवला.

आकृती १ (अ) बाह्य व्हिस्परिंग गॅलरी मोड रेझोनेटरच्या सेल्फ-इंजेक्शन रेले स्कॅटरिंगवर आधारित सेमीकंडक्टर लेसर लाइनविड्थ कॉम्प्रेशनचा आकृती;
(ब) ८ मेगाहर्ट्झ लाइनविड्थ असलेल्या फ्री रनिंग सेमीकंडक्टर लेसरचा फ्रिक्वेन्सी स्पेक्ट्रम;
(c) १६० Hz पर्यंत संकुचित केलेल्या लाइनविड्थसह लेझरचा फ्रिक्वेन्सी स्पेक्ट्रम
२.१.२ अरुंद लाइनविड्थ फायबर लेझर

लिनियर कॅव्हिटी फायबर लेझर्ससाठी, रेझोनेटरची लांबी कमी करून आणि लॉंगिट्यूडिनल मोडचा मध्यांतर वाढवून सिंगल लॉंगिट्यूडिनल मोडचे अरुंद लाइनविड्थ असलेले लेझर आउटपुट मिळवले जाते. २००४ मध्ये, स्पीगेलबर्ग आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी डीबीआर शॉर्ट कॅव्हिटी पद्धतीचा वापर करून २ किलोहर्ट्झ लाइनविड्थ असलेले सिंगल लॉंगिट्यूडिनल मोडचे अरुंद लाइनविड्थ लेझर आउटपुट मिळवले. २००७ मध्ये, शेन आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी बाय-जीई को-डोप्ड फोटोसेन्सिटिव्ह फायबरवर एफबीजी लिहिण्यासाठी २ सेमी हेवीली अर्बियम-डोप्ड सिलिकॉन फायबरचा वापर केला आणि कॉम्पॅक्ट लिनियर कॅव्हिटी तयार करण्यासाठी त्याला ॲक्टिव्ह फायबरसोबत जोडले, ज्यामुळे त्याच्या लेझर आउटपुटची लाइनविड्थ १ किलोहर्ट्झपेक्षा कमी झाली. २०१० मध्ये, यांग आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी २ सेमी हायली डोप्ड शॉर्ट लिनियर कॅव्हिटीला नॅरोबँड एफबीजी फिल्टरसोबत जोडून २ किलोहर्ट्झपेक्षा कमी लाइनविड्थ असलेले सिंगल लॉंगिट्यूडिनल मोड लेझर आउटपुट मिळवले. २०१४ मध्ये, संघाने आकृती ३ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, अरुंद लाइन विड्थ असलेले लेझर आउटपुट मिळवण्यासाठी FBG-FP फिल्टरसह एक लहान रेखीय कॅव्हिटी (व्हर्च्युअल फोल्डेड रिंग रेझोनेटर) वापरली. २०१२ मध्ये, काय आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी १.४ सेमी लहान कॅव्हिटी रचना वापरून ११४ मिलिवॅटपेक्षा जास्त आउटपुट पॉवर, १५४०.३ नॅनोमीटरची मध्यवर्ती तरंगलांबी आणि ४.१ किलोहर्ट्झची लाइन विड्थ असलेले पोलरायझिंग लेझर आउटपुट मिळवले. २०१३ मध्ये, मेंग आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी फुल-बायस प्रिझर्विंग डिव्हाइसच्या लहान रिंग कॅव्हिटीसह अर्बियम-डोप्ड फायबरच्या ब्रिलुइन स्कॅटरिंगचा वापर करून १० मिलिवॅट आउटपुट पॉवर असलेले सिंगल-लॉन्जिट्यूडिनल मोड, कमी-फेज नॉइज लेझर आउटपुट मिळवले. २०१५ मध्ये, संघाने ब्रिलुइन स्कॅटरिंग गेन माध्यम म्हणून ४५ सेमी अर्बियम-डोप्ड फायबरने बनलेल्या रिंग कॅव्हिटीचा वापर करून कमी थ्रेशोल्ड आणि अरुंद लाइनविड्थ असलेले लेझर आउटपुट मिळवले.

आकृती २ (अ) एसएलसी फायबर लेसरचे योजनाबद्ध रेखाचित्र;
(ब) ९७.६ किमी फायबर डिलेसह मोजलेल्या हेटेरोडाइन सिग्नलचा लाइनशेप