अप्टिकल फाइबर सेन्सिङको लागि लेजर स्रोत प्रविधि भाग एक

लेजर स्रोत प्रविधिको लागिअप्टिकल फाइबरसेन्सिङ भाग एक

अप्टिकल फाइबर सेन्सिङ टेक्नोलोजी अप्टिकल फाइबर टेक्नोलोजी र अप्टिकल फाइबर कम्युनिकेशन टेक्नोलोजीसँगै विकसित एक प्रकारको सेन्सिङ टेक्नोलोजी हो, र यो फोटोइलेक्ट्रिक टेक्नोलोजीको सबैभन्दा सक्रिय शाखाहरू मध्ये एक बनेको छ। अप्टिकल फाइबर सेन्सिङ प्रणाली मुख्यतया लेजर, ट्रान्समिशन फाइबर, सेन्सिङ तत्व वा मोड्युलेसन क्षेत्र, प्रकाश पत्ता लगाउने र अन्य भागहरू मिलेर बनेको हुन्छ। प्रकाश तरंगको विशेषताहरू वर्णन गर्ने प्यारामिटरहरूमा तीव्रता, तरंगदैर्ध्य, चरण, ध्रुवीकरण अवस्था, आदि समावेश छन्। यी प्यारामिटरहरू अप्टिकल फाइबर ट्रान्समिशनमा बाह्य प्रभावहरूद्वारा परिवर्तन हुन सक्छन्। उदाहरणका लागि, जब तापक्रम, तनाव, दबाब, वर्तमान, विस्थापन, कम्पन, परिक्रमा, झुकाउने र रासायनिक मात्राले अप्टिकल मार्गलाई असर गर्छ, यी प्यारामिटरहरू तदनुसार परिवर्तन हुन्छन्। अप्टिकल फाइबर सेन्सिङ सम्बन्धित भौतिक मात्राहरू पत्ता लगाउन यी प्यारामिटरहरू र बाह्य कारकहरू बीचको सम्बन्धमा आधारित हुन्छ।

त्यहाँ धेरै प्रकारका छन्लेजर स्रोतअप्टिकल फाइबर सेन्सिङ प्रणालीहरूमा प्रयोग गरिन्छ, जसलाई दुई वर्गमा विभाजन गर्न सकिन्छ: सुसंगतलेजर स्रोतहरूर असंगत प्रकाश स्रोतहरू, असंगतप्रकाश स्रोतहरूमुख्यतया तापक्रम प्रकाश र प्रकाश उत्सर्जक डायोडहरू समावेश छन्, र सुसंगत प्रकाश स्रोतहरूमा ठोस लेजरहरू, तरल लेजरहरू, ग्यास लेजरहरू,अर्धचालक लेजररफाइबर लेजरनिम्न मुख्यतया निम्नका लागि होलेजर प्रकाश स्रोतहालैका वर्षहरूमा फाइबर सेन्सिङको क्षेत्रमा व्यापक रूपमा प्रयोग गरिएको: साँघुरो रेखा चौडाइ एकल-फ्रिक्वेन्सी लेजर, एकल-तरंगदैर्ध्य स्वीप फ्रिक्वेन्सी लेजर र सेतो लेजर।

१.१ साँघुरो लाइनविड्थको लागि आवश्यकताहरूलेजर प्रकाश स्रोतहरू

अप्टिकल फाइबर सेन्सिङ प्रणालीलाई लेजर स्रोतबाट अलग गर्न सकिँदैन, किनकि मापन गरिएको सिग्नल क्यारियर लाइट वेभ, लेजर प्रकाश स्रोत आफैंको प्रदर्शन, जस्तै पावर स्थिरता, लेजर लाइनविड्थ, फेज आवाज र अप्टिकल फाइबर सेन्सिङ प्रणालीमा अन्य प्यारामिटरहरूले निर्णायक भूमिका खेल्छन्। हालैका वर्षहरूमा, लामो दूरीको अल्ट्रा-हाई रिजोल्युसन अप्टिकल फाइबर सेन्सिङ प्रणालीहरूको विकाससँगै, शिक्षा र उद्योगले लेजर लघुकरणको लाइनविड्थ प्रदर्शनको लागि थप कडा आवश्यकताहरू अगाडि सारेका छन्, मुख्यतया निम्नमा: अप्टिकल फ्रिक्वेन्सी डोमेन रिफ्लेक्सन (OFDR) प्रविधिले फ्रिक्वेन्सी डोमेनमा अप्टिकल फाइबरहरूको ब्याकरेल छरिएका संकेतहरूको विश्लेषण गर्न सुसंगत पत्ता लगाउने प्रविधि प्रयोग गर्दछ, फराकिलो कभरेज (हजारौं मिटर)। उच्च रिजोल्युसन (मिलिमिटर-स्तर रिजोल्युसन) र उच्च संवेदनशीलता (-१०० dBm सम्म) को फाइदाहरू वितरित अप्टिकल फाइबर मापन र सेन्सिङ प्रविधिमा व्यापक अनुप्रयोग सम्भावनाहरू भएको प्रविधिहरू मध्ये एक बनेको छ। OFDR प्रविधिको मूल अप्टिकल फ्रिक्वेन्सी ट्युनिङ प्राप्त गर्न ट्युनेबल प्रकाश स्रोत प्रयोग गर्नु हो, त्यसैले लेजर स्रोतको प्रदर्शनले OFDR पत्ता लगाउने दायरा, संवेदनशीलता र रिजोल्युसन जस्ता प्रमुख कारकहरू निर्धारण गर्दछ। जब परावर्तन बिन्दु दूरी सुसंगतता लम्बाइको नजिक हुन्छ, बीट सिग्नलको तीव्रता गुणांक τ/τc द्वारा घातीय रूपमा कम हुनेछ। वर्णक्रमीय आकार भएको गौसियन प्रकाश स्रोतको लागि, बीट फ्रिक्वेन्सीमा ९०% भन्दा बढी दृश्यता छ भनी सुनिश्चित गर्न, प्रकाश स्रोतको रेखा चौडाइ र प्रणालीले प्राप्त गर्न सक्ने अधिकतम सेन्सिङ लम्बाइ बीचको सम्बन्ध Lmax~0.04vg/f हो, जसको अर्थ ८० किलोमिटर लम्बाइ भएको फाइबरको लागि, प्रकाश स्रोतको रेखा चौडाइ १०० हर्ट्ज भन्दा कम छ। थप रूपमा, अन्य अनुप्रयोगहरूको विकासले प्रकाश स्रोतको रेखा चौडाइको लागि उच्च आवश्यकताहरू पनि अगाडि सारेको छ। उदाहरणका लागि, अप्टिकल फाइबर हाइड्रोफोन प्रणालीमा, प्रकाश स्रोतको रेखा चौडाइले प्रणालीको आवाज निर्धारण गर्दछ र प्रणालीको न्यूनतम मापनयोग्य संकेत पनि निर्धारण गर्दछ। Brillouin अप्टिकल समय डोमेन परावर्तक (BOTDR) मा, तापक्रम र तनावको मापन रिजोल्युसन मुख्यतया प्रकाश स्रोतको रेखा चौडाइद्वारा निर्धारण गरिन्छ। रेजोनेटर फाइबर अप्टिक जाइरोमा, प्रकाश स्रोतको रेखा चौडाइ घटाएर प्रकाश तरंगको सुसंगत लम्बाइ बढाउन सकिन्छ, जसले गर्दा रेजोनेटरको सूक्ष्मता र अनुनाद गहिराइमा सुधार हुन्छ, रेजोनेटरको रेखा चौडाइ घट्छ, र फाइबर अप्टिक जाइरोको मापन शुद्धता सुनिश्चित हुन्छ।

१.२ स्वीप लेजर स्रोतहरूको लागि आवश्यकताहरू

एकल तरंगदैर्ध्य स्वीप लेजरमा लचिलो तरंगदैर्ध्य ट्युनिङ कार्यसम्पादन हुन्छ, धेरै आउटपुट फिक्स्ड तरंगदैर्ध्य लेजरहरूलाई प्रतिस्थापन गर्न सक्छ, प्रणाली निर्माणको लागत घटाउन सक्छ, अप्टिकल फाइबर सेन्सिङ प्रणालीको एक अपरिहार्य भाग हो। उदाहरणका लागि, ट्रेस ग्यास फाइबर सेन्सिङमा, विभिन्न प्रकारका ग्यासहरूमा फरक ग्यास अवशोषण शिखरहरू हुन्छन्। मापन ग्यास पर्याप्त हुँदा प्रकाश अवशोषण दक्षता सुनिश्चित गर्न र उच्च मापन संवेदनशीलता प्राप्त गर्न, प्रसारण प्रकाश स्रोतको तरंगदैर्ध्यलाई ग्यास अणुको अवशोषण शिखरसँग पङ्क्तिबद्ध गर्न आवश्यक छ। पत्ता लगाउन सकिने ग्यासको प्रकार अनिवार्य रूपमा सेन्सिङ प्रकाश स्रोतको तरंगदैर्ध्यद्वारा निर्धारण गरिन्छ। त्यसकारण, स्थिर ब्रॉडब्यान्ड ट्युनिङ प्रदर्शन भएका साँघुरो लाइनविड्थ लेजरहरूमा यस्ता सेन्सिङ प्रणालीहरूमा उच्च मापन लचिलोपन हुन्छ। उदाहरणका लागि, अप्टिकल फ्रिक्वेन्सी डोमेन प्रतिबिम्बमा आधारित केही वितरित अप्टिकल फाइबर सेन्सिङ प्रणालीहरूमा, अप्टिकल संकेतहरूको उच्च-परिशुद्धता सुसंगत पत्ता लगाउन र डिमोड्युलेसन प्राप्त गर्न लेजरलाई द्रुत रूपमा आवधिक रूपमा स्वीप गर्न आवश्यक छ, त्यसैले लेजर स्रोतको मोड्युलेसन दर अपेक्षाकृत उच्च आवश्यकताहरू छन्, र समायोज्य लेजरको स्वीप गति सामान्यतया १० बजे/μs पुग्न आवश्यक छ। यसको अतिरिक्त, तरंगदैर्ध्य ट्युनेबल साँघुरो लाइनविड्थ लेजरलाई liDAR, लेजर रिमोट सेन्सिङ र उच्च-रिजोल्युसन स्पेक्ट्रल विश्लेषण र अन्य सेन्सिङ क्षेत्रहरूमा पनि व्यापक रूपमा प्रयोग गर्न सकिन्छ। फाइबर सेन्सिङको क्षेत्रमा ट्युनिङ ब्यान्डविथ, ट्युनिङ शुद्धता र एकल-तरंगदैर्ध्य लेजरहरूको ट्युनिङ गतिको उच्च प्रदर्शन प्यारामिटरहरूको आवश्यकताहरू पूरा गर्न, हालका वर्षहरूमा ट्युनेबल साँघुरो-चौडाइ फाइबर लेजरहरूको अध्ययन गर्ने समग्र लक्ष्य अल्ट्रा-साँघुरो लेजर लाइनविड्थ, अल्ट्रा-लो फेज शोर, र अल्ट्रा-स्थिर आउटपुट फ्रिक्वेन्सी र पावर पछ्याउने आधारमा ठूलो तरंगदैर्ध्य दायरामा उच्च-परिशुद्धता ट्युनिङ प्राप्त गर्नु हो।

१.३ सेतो लेजर प्रकाश स्रोतको माग

अप्टिकल सेन्सिङको क्षेत्रमा, प्रणालीको कार्यसम्पादन सुधार गर्न उच्च-गुणस्तरको सेतो प्रकाश लेजरको ठूलो महत्त्व छ। सेतो प्रकाश लेजरको स्पेक्ट्रम कभरेज जति फराकिलो हुन्छ, अप्टिकल फाइबर सेन्सिङ प्रणालीमा यसको प्रयोग त्यति नै व्यापक हुन्छ। उदाहरणका लागि, सेन्सर नेटवर्क निर्माण गर्न फाइबर ब्राग ग्रेटिंग (FBG) प्रयोग गर्दा, डिमोड्युलेसनको लागि स्पेक्ट्रल विश्लेषण वा ट्युनेबल फिल्टर मिलान विधि प्रयोग गर्न सकिन्छ। पहिलेले नेटवर्कमा प्रत्येक FBG रेजोनन्ट तरंगदैर्ध्य प्रत्यक्ष रूपमा परीक्षण गर्न स्पेक्ट्रोमिटर प्रयोग गर्‍यो। पछिल्लोले सेन्सिङमा FBG ट्र्याक र क्यालिब्रेट गर्न सन्दर्भ फिल्टर प्रयोग गर्दछ, जस दुवैलाई FBG को लागि परीक्षण प्रकाश स्रोतको रूपमा ब्रॉडब्यान्ड प्रकाश स्रोत चाहिन्छ। किनभने प्रत्येक FBG पहुँच नेटवर्कमा एक निश्चित सम्मिलन हानि हुनेछ, र 0.1 nm भन्दा बढीको ब्यान्डविथ छ, धेरै FBG को एकैसाथ डिमोड्युलेसनको लागि उच्च शक्ति र उच्च ब्यान्डविथको साथ ब्रॉडब्यान्ड प्रकाश स्रोत आवश्यक पर्दछ। उदाहरणका लागि, सेन्सिङको लागि लामो अवधिको फाइबर ग्रेटिंग (LPFG) प्रयोग गर्दा, एकल क्षति शिखरको ब्यान्डविथ १० एनएमको क्रममा हुने भएकोले, यसको अनुनाद शिखर विशेषताहरूलाई सही रूपमा चित्रण गर्न पर्याप्त ब्यान्डविथ र अपेक्षाकृत समतल स्पेक्ट्रम भएको फराकिलो स्पेक्ट्रम प्रकाश स्रोत आवश्यक पर्दछ। विशेष गरी, ध्वनिक-अप्टिकल प्रभाव प्रयोग गरेर निर्मित ध्वनिक फाइबर ग्रेटिंग (AIFG) ले विद्युतीय ट्युनिङको माध्यमबाट १००० एनएम सम्मको अनुनाद तरंगदैर्ध्यको ट्युनिङ दायरा प्राप्त गर्न सक्छ। त्यसकारण, यस्तो अल्ट्रा-वाइड ट्युनिङ दायराको साथ गतिशील ग्रेटिंग परीक्षणले वाइड-स्पेक्ट्रम प्रकाश स्रोतको ब्यान्डविथ दायराको लागि ठूलो चुनौती खडा गर्छ। त्यस्तै गरी, हालैका वर्षहरूमा, झुकेको ब्राग फाइबर ग्रेटिंग पनि फाइबर सेन्सिङको क्षेत्रमा व्यापक रूपमा प्रयोग गरिएको छ। यसको बहु-शिखर क्षति स्पेक्ट्रम विशेषताहरूको कारण, तरंगदैर्ध्य वितरण दायरा सामान्यतया ४० एनएम पुग्न सक्छ। यसको सेन्सिङ संयन्त्र सामान्यतया धेरै प्रसारण शिखरहरू बीचको सापेक्षिक आन्दोलनको तुलना गर्ने हो, त्यसैले यसको प्रसारण स्पेक्ट्रम पूर्ण रूपमा मापन गर्न आवश्यक छ। वाइड स्पेक्ट्रम प्रकाश स्रोतको ब्यान्डविथ र शक्ति उच्च हुनु आवश्यक छ।

२. स्वदेश र विदेशमा अनुसन्धान स्थिति

२.१ साँघुरो रेखा चौडाइ लेजर प्रकाश स्रोत

२.१.१ साँघुरो लाइनविड्थ अर्धचालक वितरित प्रतिक्रिया लेजर

२००६ मा, क्लिश एट अलले अर्धचालकको MHz स्केल घटाएDFB लेजर(वितरित प्रतिक्रिया लेजर) विद्युतीय प्रतिक्रिया विधि प्रयोग गरेर kHz स्केलमा; २०११ मा, केसलर एट अलले ४० मेगाहर्ट्जको अल्ट्रा-साँघुरो लाइनविड्थ लेजर आउटपुट प्राप्त गर्न सक्रिय प्रतिक्रिया नियन्त्रणसँग मिलाएर कम तापक्रम र उच्च स्थिरता एकल क्रिस्टल गुहा प्रयोग गरे; २०१३ मा, पेङ एट अलले बाह्य फेब्री-पेरोट (FP) प्रतिक्रिया समायोजनको विधि प्रयोग गरेर १५ kHz को लाइनविड्थको साथ अर्धचालक लेजर आउटपुट प्राप्त गरे। विद्युतीय प्रतिक्रिया विधिले मुख्यतया प्रकाश स्रोतको लेजर लाइनविड्थ कम गर्न पोन्ड-ड्रेभर-हल फ्रिक्वेन्सी स्थिरीकरण प्रतिक्रिया प्रयोग गर्‍यो। २०१० मा, बर्नहार्डी एट अलले लगभग १.७ kHz को लाइन चौडाइको साथ लेजर आउटपुट प्राप्त गर्न सिलिकन अक्साइड सब्सट्रेटमा १ सेमी एर्बियम-डोपेड एल्युमिना FBG उत्पादन गरे। सोही वर्ष, लियाङ एट अल। चित्र १ मा देखाइए अनुसार, अर्धचालक लेजर लाइन-चौडाइ कम्प्रेसनको लागि उच्च-Q इको वाल रेजोनेटरद्वारा बनाइएको ब्याकवर्ड रेले स्क्याटरिङको स्व-इन्जेक्शन प्रतिक्रिया प्रयोग गरियो, र अन्ततः १६० हर्ट्जको साँघुरो लाइन-चौडाइ लेजर आउटपुट प्राप्त गरियो।

चित्र १ (क) बाह्य ह्विस्परिङ ग्यालरी मोड रेजोनेटरको स्व-इन्जेक्शन रेले स्क्याटरिङमा आधारित अर्धचालक लेजर लाइनविड्थ कम्प्रेसनको रेखाचित्र;
(ख) ८ मेगाहर्ट्जको लाइनविड्थ भएको फ्री रनिङ सेमीकन्डक्टर लेजरको फ्रिक्वेन्सी स्पेक्ट्रम;
(ग) १६० हर्ट्जमा संकुचित लाइनविड्थ भएको लेजरको फ्रिक्वेन्सी स्पेक्ट्रम
२.१.२ साँघुरो लाइनविड्थ फाइबर लेजर

रेखीय गुहा फाइबर लेजरहरूको लागि, एकल अनुदैर्ध्य मोडको साँघुरो लाइनविड्थ लेजर आउटपुट रेजोनेटरको लम्बाइ छोटो पारेर र अनुदैर्ध्य मोड अन्तराल बढाएर प्राप्त गरिन्छ। २००४ मा, स्पीगेलबर्ग एट अलले DBR छोटो गुहा विधि प्रयोग गरेर २ kHz को लाइनविड्थको साथ एकल अनुदैर्ध्य मोड साँघुरो लाइनविड्थ लेजर आउटपुट प्राप्त गरे। २००७ मा, शेन एट अलले Bi-Ge को-डोप्ड फोटोसेन्सिटिभ फाइबरमा FBG लेख्न २ सेमी भारी एर्बियम-डोप्ड सिलिकन फाइबर प्रयोग गरे, र यसलाई सक्रिय फाइबरसँग फ्यूज गरेर कम्प्याक्ट रेखीय गुहा बनाए, जसले गर्दा यसको लेजर आउटपुट लाइन चौडाइ १ kHz भन्दा कम भयो। २०१० मा, याङ एट अलले २ kHz भन्दा कमको लाइन चौडाइको साथ एकल अनुदैर्ध्य मोड लेजर आउटपुट प्राप्त गर्न साँघुरोब्यान्ड FBG फिल्टरसँग मिलाएर २ सेमी उच्च डोप्ड छोटो रेखीय गुहा प्रयोग गरे। २०१४ मा, टोलीले चित्र ३ मा देखाइए अनुसार, साँघुरो रेखा चौडाइ भएको लेजर आउटपुट प्राप्त गर्न FBG-FP फिल्टरसँग मिलाएर छोटो रेखीय गुहा (भर्चुअल फोल्डेड रिंग रेजोनेटर) प्रयोग गर्‍यो। २०१२ मा, काई एट अलले ११४ मेगावाट भन्दा बढी आउटपुट पावर, १५४०.३ एनएमको केन्द्रीय तरंगदैर्ध्य र ४.१ किलोहर्ट्जको रेखा चौडाइ भएको ध्रुवीकरण लेजर आउटपुट प्राप्त गर्न १.४ सेमी छोटो गुहा संरचना प्रयोग गर्‍यो। २०१३ मा, मेङ एट अलले १० मेगावाटको आउटपुट पावर भएको एकल-अनुदैर्ध्य मोड, कम-चरणको आवाज लेजर आउटपुट प्राप्त गर्न पूर्ण-पूर्वाग्रह संरक्षण उपकरणको छोटो रिंग गुहाको साथ एर्बियम-डोपेड फाइबरको ब्रिलोइन स्क्याटरिङ प्रयोग गर्‍यो। २०१५ मा, टोलीले कम थ्रेसहोल्ड र साँघुरो रेखा चौडाइ लेजर आउटपुट प्राप्त गर्न ब्रिलोइन स्क्याटरिङ गेन माध्यमको रूपमा ४५ सेमी एर्बियम-डोपेड फाइबरबाट बनेको रिंग गुहा प्रयोग गर्‍यो।

चित्र २ (क) SLC फाइबर लेजरको योजनाबद्ध रेखाचित्र;
(b) ९७.६ किलोमिटर फाइबर ढिलाइको साथ मापन गरिएको हेटेरोडाइन सिग्नलको रेखा आकार