अप्टिकल फाइबर सेन्सिङको लागि लेजर स्रोत प्रविधि भाग एक

लेजर स्रोत प्रविधिको लागिअप्टिकल फाइबरसंवेदना भाग एक

अप्टिकल फाइबर सेन्सिङ टेक्नोलोजी एक प्रकारको सेन्सिङ टेक्नोलोजी हो जुन अप्टिकल फाइबर टेक्नोलोजी र अप्टिकल फाइबर कम्युनिकेशन टेक्नोलोजीको साथ विकसित गरिएको छ, र यो फोटोइलेक्ट्रिक टेक्नोलोजीको सबैभन्दा सक्रिय शाखाहरू मध्ये एक भएको छ। अप्टिकल फाइबर सेन्सिङ प्रणाली मुख्यतया लेजर, ट्रान्समिशन फाइबर, सेन्सिङ एलिमेन्ट वा मोडुलेशन क्षेत्र, प्रकाश पत्ता लगाउने र अन्य भागहरू मिलेर बनेको हुन्छ। प्रकाश तरंगका विशेषताहरू वर्णन गर्ने मापदण्डहरूमा तीव्रता, तरंगदैर्ध्य, चरण, ध्रुवीकरण अवस्था, आदि समावेश छन्। यी मापदण्डहरू अप्टिकल फाइबर प्रसारणमा बाह्य प्रभावहरूद्वारा परिवर्तन हुन सक्छन्। उदाहरण को लागी, जब तापमान, तनाव, दबाव, वर्तमान, विस्थापन, कम्पन, रोटेशन, झुकाउने र रासायनिक मात्राले अप्टिकल मार्गलाई असर गर्छ, यी प्यारामिटरहरू अनुरूप परिवर्तन हुन्छन्। अप्टिकल फाइबर सेन्सिङ यी प्यारामिटरहरू र सम्बन्धित भौतिक मात्राहरू पत्ता लगाउन बाह्य कारकहरू बीचको सम्बन्धमा आधारित छ।

त्यहाँ धेरै प्रकारका छन्लेजर स्रोतअप्टिकल फाइबर सेन्सिङ प्रणालीमा प्रयोग गरिन्छ, जसलाई दुई भागमा विभाजन गर्न सकिन्छ: सुसंगतलेजर स्रोतहरूर असंगत प्रकाश स्रोतहरू, असंगतप्रकाश स्रोतहरूमुख्यतया इन्यान्डेसेन्ट लाइट र प्रकाश उत्सर्जन गर्ने डायोडहरू, र सुसंगत प्रकाश स्रोतहरूमा ठोस लेजरहरू, तरल लेजरहरू, ग्यास लेजरहरू,अर्धचालक लेजररफाइबर लेजर। निम्नको लागि मुख्य रूपमा होलेजर प्रकाश स्रोतहालका वर्षहरूमा फाइबर सेन्सिङको क्षेत्रमा व्यापक रूपमा प्रयोग गरिएको छ: साँघुरो रेखा चौडाइ एकल-फ्रिक्वेन्सी लेजर, एकल-तरंग लम्बाइ स्वीप आवृत्ति लेजर र सेतो लेजर।

1.1 साँघुरो रेखा चौडाइका लागि आवश्यकताहरूलेजर प्रकाश स्रोत

अप्टिकल फाइबर सेन्सिङ प्रणाली लेजर स्रोतबाट अलग गर्न सकिँदैन, मापन गरिएको संकेत वाहक प्रकाश तरंग, लेजर प्रकाश स्रोत आफै प्रदर्शन, जस्तै शक्ति स्थिरता, लेजर लाइनविड्थ, चरण शोर र अन्य मापदण्डहरू अप्टिकल फाइबर सेन्सिङ प्रणाली पत्ता लगाउन दूरी, पत्ता लगाउन। शुद्धता, संवेदनशीलता र आवाज विशेषताहरूले निर्णायक भूमिका खेल्छन्। हालैका वर्षहरूमा, लामो दूरीको अल्ट्रा-उच्च रिजोल्युसन अप्टिकल फाइबर सेन्सिङ प्रणालीको विकासको साथ, शिक्षाविद् र उद्योगले लेजर लघुकरणको लाइनविड्थ प्रदर्शनको लागि थप कडा आवश्यकताहरू अगाडि राखेका छन्, मुख्य रूपमा: अप्टिकल फ्रिक्वेन्सी डोमेन रिफ्लेक्शन (OFDR) टेक्नोलोजी प्रयोग गर्दछ। फराकिलो कभरेज (हजारौं मिटर) को साथ फ्रिक्वेन्सी डोमेनमा अप्टिकल फाइबरहरूको ब्याकरेले स्क्याटेर्ड सिग्नलहरू विश्लेषण गर्न पत्ता लगाउने प्रविधि। उच्च रिजोल्युसन (मिलिमिटर-लेभल रिजोलुसन) र उच्च संवेदनशीलता (-100 dBm सम्म) को फाइदाहरू वितरित अप्टिकल फाइबर मापन र सेन्सिङ टेक्नोलोजीमा व्यापक अनुप्रयोग सम्भावनाहरू भएका प्रविधिहरू मध्ये एक भएको छ। OFDR टेक्नोलोजीको मूल भनेको अप्टिकल फ्रिक्वेन्सी ट्युनिङ प्राप्त गर्न ट्युनेबल लाइट स्रोत प्रयोग गर्नु हो, त्यसैले लेजर स्रोतको प्रदर्शनले OFDR पत्ता लगाउने दायरा, संवेदनशीलता र रिजोल्युसन जस्ता मुख्य कारकहरू निर्धारण गर्दछ। जब प्रतिबिम्ब बिन्दु दूरी सुसंगत लम्बाइको नजिक हुन्छ, बीट संकेतको तीव्रता गुणांक τ/τc द्वारा घटाइनेछ। स्पेक्ट्रल आकार भएको गाउसियन प्रकाश स्रोतको लागि, बीट फ्रिक्वेन्सी 90% भन्दा बढी दृश्यता छ भनेर सुनिश्चित गर्न, प्रकाश स्रोतको रेखा चौडाइ र प्रणालीले प्राप्त गर्न सक्ने अधिकतम सेन्सिङ लम्बाइ बीचको सम्बन्ध Lmax~0.04vg हो। /f, जसको मतलब 80 किलोमिटर लम्बाइ भएको फाइबरको लागि, प्रकाश स्रोतको रेखा चौडाइ 100 Hz भन्दा कम छ। थप रूपमा, अन्य अनुप्रयोगहरूको विकासले प्रकाश स्रोतको लाइनविड्थको लागि उच्च आवश्यकताहरू पनि राख्छ। उदाहरणका लागि, अप्टिकल फाइबर हाइड्रोफोन प्रणालीमा, प्रकाश स्रोतको लाइनविड्थले प्रणालीको आवाज निर्धारण गर्दछ र प्रणालीको न्यूनतम मापनयोग्य संकेत पनि निर्धारण गर्दछ। Brillouin अप्टिकल टाइम डोमेन रिफ्लेक्टर (BOTDR) मा, तापक्रम र तनावको मापन रिजोल्युसन मुख्यतया प्रकाश स्रोतको लाइनविड्थ द्वारा निर्धारण गरिन्छ। रेजोनेटर फाइबर अप्टिक गाइरोमा, प्रकाश स्रोतको रेखा चौडाइ घटाएर प्रकाश तरंगको सुसंगतता लम्बाइ बढाउन सकिन्छ, यसरी रेजोनेटरको सूक्ष्मता र अनुनाद गहिराइमा सुधार, रेजोनेटरको लाइन चौडाइ घटाएर, र मापन सुनिश्चित गर्न सकिन्छ। फाइबर ओप्टिक gyro को शुद्धता।

1.2 स्वीप लेजर स्रोतहरूको लागि आवश्यकताहरू

एकल तरंगदैर्ध्य स्वीप लेजरमा लचिलो तरंगदैर्ध्य ट्यूनिंग प्रदर्शन छ, बहु उत्पादन निश्चित तरंगदैर्ध्य लेजरहरू 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 विभिन्न ग्यास अवशोषण शिखरहरू छन्। मापन ग्यास पर्याप्त हुँदा प्रकाश अवशोषण दक्षता सुनिश्चित गर्न र उच्च मापन संवेदनशीलता प्राप्त गर्न, ग्यास अणु को अवशोषण शिखर संग प्रसारण प्रकाश स्रोत को तरंगदैर्ध्य पङ्क्तिबद्ध गर्न आवश्यक छ। पत्ता लगाउन सकिने ग्यासको प्रकार अनिवार्य रूपमा सेन्सिङ लाइट स्रोतको तरंगदैर्ध्यद्वारा निर्धारण गरिन्छ। त्यसकारण, स्थिर ब्रॉडब्यान्ड ट्युनिङ प्रदर्शनका साथ साँघुरो लाइनविथ लेजरहरूसँग त्यस्ता सेन्सिङ प्रणालीहरूमा उच्च मापन लचिलोपन हुन्छ। उदाहरणका लागि, अप्टिकल फ्रिक्वेन्सी डोमेन रिफ्लेक्सनमा आधारित केही वितरण गरिएका अप्टिकल फाइबर सेन्सिङ प्रणालीहरूमा, उच्च परिशुद्धता सुसंगत पत्ता लगाउन र अप्टिकल संकेतहरूको डिमोड्युलेसन प्राप्त गर्न लेजरलाई आवधिक रूपमा द्रुत रूपमा स्विप गर्न आवश्यक छ, त्यसैले लेजर स्रोतको मोडुलेशन दर अपेक्षाकृत उच्च आवश्यकताहरू छन्। , र समायोज्य लेजरको स्वीप गति सामान्यतया 10 pm/μs पुग्न आवश्यक छ। थप रूपमा, तरंगदैर्ध्य ट्युनेबल साँघुरो लाइनविथ लेजर पनि liDAR, लेजर रिमोट सेन्सिङ र उच्च रिजोलुसन स्पेक्ट्रल विश्लेषण र अन्य सेन्सिङ क्षेत्रहरूमा व्यापक रूपमा प्रयोग गर्न सकिन्छ। फाइबर सेन्सिङको क्षेत्रमा ट्युनिङ ब्यान्डविथ, ट्युनिङ सटीकता र एकल-तरंग लम्बाइ लेजरहरूको ट्युनिङ गतिको उच्च प्रदर्शन प्यारामिटरहरूको आवश्यकताहरू पूरा गर्न, हालका वर्षहरूमा ट्युनेबल साँघुरो-चौडाइ फाइबर लेजरहरूको अध्ययनको समग्र लक्ष्य उच्च-प्राप्त गर्नु हो। अल्ट्रा-साँघुरो लेजर लाइनविथ, अल्ट्रा-लो फेज नाइज, र अल्ट्रा-स्टेबल आउटपुट फ्रिक्वेन्सी र पावर पछ्याउने आधारमा ठूलो तरंग लम्बाइ दायरामा सटीक ट्युनिङ।

1.3 सेतो लेजर प्रकाश स्रोतको लागि माग

अप्टिकल सेन्सिङको क्षेत्रमा, उच्च-गुणस्तरको सेतो प्रकाश लेजर प्रणालीको कार्यसम्पादन सुधार गर्नको लागि 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 ग्रेटिङ् (FBG) प्रयोग गर्दा, स्पेक्ट्रल विश्लेषण वा ट्युनेबल फिल्टर मिलान विधि डिमोड्युलेसनको लागि प्रयोग गर्न सकिन्छ। पहिलेले नेटवर्कमा प्रत्येक FBG रेजोनन्ट तरंगदैर्ध्य प्रत्यक्ष रूपमा परीक्षण गर्न स्पेक्ट्रोमिटर प्रयोग गर्‍यो। पछिल्लोले सेन्सिङमा FBG लाई ट्र्याक गर्न र क्यालिब्रेट गर्न सन्दर्भ फिल्टर प्रयोग गर्दछ, जसलाई FBG को लागि परीक्षण प्रकाश स्रोतको रूपमा ब्रोडब्यान्ड प्रकाश स्रोत चाहिन्छ। किनभने प्रत्येक FBG पहुँच नेटवर्कमा निश्चित इन्सर्सन हानि हुनेछ, र ०.१ एनएम भन्दा बढीको ब्यान्डविथ छ, धेरै FBG को एक साथ डिमोड्युलेसनलाई उच्च शक्ति र उच्च ब्यान्डविथ भएको ब्रोडब्यान्ड प्रकाश स्रोत चाहिन्छ। उदाहरणका लागि, सेन्सिङका लागि लामो अवधिको फाइबर ग्रेटिंग (LPFG) प्रयोग गर्दा, एकल हानि शिखरको ब्यान्डविथ १० एनएमको क्रममा भएकोले, पर्याप्त ब्यान्डविथ र तुलनात्मक रूपमा समतल स्पेक्ट्रम भएको फराकिलो स्पेक्ट्रम प्रकाश स्रोत यसको प्रतिध्वनिलाई सही रूपमा चित्रण गर्न आवश्यक हुन्छ। शिखर विशेषताहरु। विशेष गरी, ध्वनिक-अप्टिकल प्रभाव प्रयोग गरेर निर्माण गरिएको ध्वनिक फाइबर ग्रेटिंग (AIFG) ले विद्युतीय ट्युनिङको माध्यमबाट 1000 nm सम्म रेजोनन्ट तरंग लम्बाइको ट्युनिङ दायरा हासिल गर्न सक्छ। त्यसकारण, यस्तो अल्ट्रा-वाइड ट्युनिङ दायराको साथ गतिशील ग्रेटिंग परीक्षणले फराकिलो स्पेक्ट्रम प्रकाश स्रोतको ब्यान्डविथ दायरालाई ठूलो चुनौती खडा गर्छ। त्यसै गरी, हालका वर्षहरूमा, झुकाव ब्राग फाइबर ग्रेटिंग पनि फाइबर सेन्सिङको क्षेत्रमा व्यापक रूपमा प्रयोग भएको छ। यसको बहु-चरम हानि स्पेक्ट्रम विशेषताहरूको कारण, तरंगदैर्ध्य वितरण दायरा सामान्यतया 40 एनएम पुग्न सक्छ। यसको सेन्सिङ मेकानिजम सामान्यतया धेरै ट्रान्समिशन पीकहरू बीचको सापेक्षिक आन्दोलनको तुलना गर्न हो, त्यसैले यसको प्रसारण स्पेक्ट्रम पूर्ण रूपमा मापन गर्न आवश्यक छ। फराकिलो स्पेक्ट्रम प्रकाश स्रोतको ब्यान्डविथ र शक्ति उच्च हुन आवश्यक छ।

2. स्वदेश र विदेशमा अनुसन्धान स्थिति

2.1 संकीर्ण रेखाविथ लेजर प्रकाश स्रोत

2.1.1 संकीर्ण लाइनविड्थ अर्धचालक प्रतिक्रिया लेजर वितरित

2006 मा, Cliche et al। अर्धचालकको मेगाहर्ट्ज स्केल घटाइयोDFB लेजर(वितरित प्रतिक्रिया लेजर) विद्युतीय प्रतिक्रिया विधि प्रयोग गरेर kHz मापनमा; 2011 मा, Kessler et al। 40 मेगाहर्ट्जको अल्ट्रा-साँघुरो लाइनविथ लेजर आउटपुट प्राप्त गर्न सक्रिय प्रतिक्रिया नियन्त्रणको साथ कम तापमान र उच्च स्थिरता एकल क्रिस्टल गुहा प्रयोग गरियो; 2013 मा, Peng et al ले बाह्य Fabry-Perot (FP) प्रतिक्रिया समायोजनको विधि प्रयोग गरेर 15 kHz को लाइनविड्थको साथ अर्धचालक लेजर आउटपुट प्राप्त गर्यो। विद्युतीय प्रतिक्रिया विधिले मुख्यतया प्रकाश स्रोतको लेजर लाइनविड्थ कम गर्न पोन्ड-ड्रेभर-हल फ्रिक्वेन्सी स्थिरीकरण प्रतिक्रिया प्रयोग गर्‍यो। 2010 मा, Bernhardi et al। लगभग 1.7 kHz को लाइन चौडाइको साथ लेजर आउटपुट प्राप्त गर्न सिलिकन अक्साइड सब्सट्रेटमा 1 सेमी एर्बियम-डोपेड एल्युमिना FBG उत्पादन गरियो। सोही वर्ष, लियांग एट अल। चित्र 1 मा देखाइए अनुसार, अर्धचालक लेजर लाइन-चौडाइ कम्प्रेसनको लागि उच्च-क्यू इको पर्खाल रिजोनेटर द्वारा बनाईएको ब्याकवर्ड रेले स्क्याटरिङको सेल्फ-इन्जेक्शन प्रतिक्रिया प्रयोग गर्‍यो, र अन्तमा 160 हर्ट्जको साँघुरो लाइन-चौडाइ लेजर आउटपुट प्राप्त गर्‍यो।

चित्र। 1 (a) बाह्य व्हिस्परिङ ग्यालेरी मोड रेजोनेटरको स्व-इंजेक्शन रेले स्क्याटरिङमा आधारित अर्धचालक लेजर लाइनविड्थ कम्प्रेसनको रेखाचित्र;
(b) 8 मेगाहर्ट्जको लाइनविथको साथ फ्री चलिरहेको सेमीकन्डक्टर लेजरको फ्रिक्वेन्सी स्पेक्ट्रम;
(c) लेजरको फ्रिक्वेन्सी स्पेक्ट्रम लाईनविड्थ 160 हर्ट्ज सम्म कम्प्रेस गरिएको
2.1.2 संकीर्ण लाइनविड्थ फाइबर लेजर

रैखिक गुहा फाइबर लेजरहरूको लागि, एकल अनुदैर्ध्य मोडको साँघुरो लाइनविड्थ लेजर आउटपुट रेजोनेटरको लम्बाइ छोटो पारेर र अनुदैर्ध्य मोड अन्तराल बढाएर प्राप्त गरिन्छ। 2004 मा, Spiegelberg et al। DBR छोटो गुहा विधि प्रयोग गरेर 2 kHz को लाइनविड्थको साथ एकल अनुदैर्ध्य मोड साँघुरो लाइनविथ लेजर आउटपुट प्राप्त गर्यो। 2007 मा, शेन एट अल। Bi-Ge को-डोप गरिएको फोटोसेन्सिटिभ फाइबरमा FBG लेख्नको लागि २ सेन्टीमिटरको भारी एर्बियम-डोप गरिएको सिलिकन फाइबर प्रयोग गर्‍यो, र यसलाई सक्रिय फाइबरसँग फ्युज गरी कम्प्याक्ट रैखिक गुहा बनाउनको लागि, यसको लेजर आउटपुट लाइन चौडाइ 1 kHz भन्दा कम बनायो। 2010 मा, यांग एट अल। 2 kHz भन्दा कम लाइन चौडाइ भएको एकल अनुदैर्ध्य मोड लेजर आउटपुट प्राप्त गर्नको लागि 2cm उच्च डोप गरिएको छोटो रैखिक गुहा प्रयोग गरियो। 2014 मा, टोलीले चित्र 3 मा देखाइए अनुसार, FBG-FP फिल्टरसँग मिलाएर छोटो रैखिक गुहा (भर्चुअल फोल्ड रिङ रिजोनेटर) प्रयोग गर्‍यो। 114 mW भन्दा बढी आउटपुट पावर, 1540.3 nm को केन्द्रीय तरंग लम्बाइ, र 4.1 kHz को एक लाइन चौडाइ संग ध्रुवीकरण लेजर आउटपुट प्राप्त गर्न 1.4cm छोटो गुहा संरचना प्रयोग गरियो। 2013 मा, Meng et al। 10 मेगावाटको आउटपुट पावरको साथ एकल-लम्बाइ मोड, कम-चरण शोर लेजर आउटपुट प्राप्त गर्न पूर्ण-बायस संरक्षण उपकरणको छोटो रिंग गुहाको साथ एर्बियम-डोपड फाइबरको ब्रिलाउइन स्क्याटरिङ प्रयोग गरियो। 2015 मा, टोलीले कम थ्रेसहोल्ड र साँघुरो लाइनविड्थ लेजर आउटपुट प्राप्त गर्न ब्रिल्युइन स्क्याटरिङ गेन माध्यमको रूपमा 45 सेमी एर्बियम-डोपड फाइबरले बनेको रिंग गुहा प्रयोग गर्‍यो।

चित्र 2 (a) SLC फाइबर लेजरको योजनाबद्ध रेखाचित्र;
(b) 97.6 किमी फाइबर ढिलाइ संग मापन heterodyne संकेत को रेखा आकार