অপটিক্যাল ফাইবার সেন্সিং পার্ট ওয়ানের জন্য লেজার সোর্স প্রযুক্তি

জন্য লেজার উৎস প্রযুক্তিঅপটিক্যাল ফাইবারঅনুধাবন অংশ এক

অপটিক্যাল ফাইবার সেন্সিং প্রযুক্তি হল এক ধরণের সেন্সিং প্রযুক্তি যা অপটিক্যাল ফাইবার প্রযুক্তি এবং অপটিক্যাল ফাইবার যোগাযোগ প্রযুক্তির সাথে বিকশিত হয়েছে এবং এটি ফটোইলেক্ট্রিক প্রযুক্তির অন্যতম সক্রিয় শাখা হয়ে উঠেছে। অপটিক্যাল ফাইবার সেন্সিং সিস্টেম মূলত লেজার, ট্রান্সমিশন ফাইবার, সেন্সিং এলিমেন্ট বা মড্যুলেশন এরিয়া, লাইট ডিটেকশন এবং অন্যান্য অংশ নিয়ে গঠিত। আলোক তরঙ্গের বৈশিষ্ট্য বর্ণনাকারী পরামিতিগুলির মধ্যে রয়েছে তীব্রতা, তরঙ্গদৈর্ঘ্য, ফেজ, মেরুকরণ অবস্থা ইত্যাদি। অপটিক্যাল ফাইবার ট্রান্সমিশনে বাহ্যিক প্রভাব দ্বারা এই পরামিতিগুলি পরিবর্তিত হতে পারে। উদাহরণস্বরূপ, যখন তাপমাত্রা, স্ট্রেন, চাপ, বর্তমান, স্থানচ্যুতি, কম্পন, ঘূর্ণন, নমন এবং রাসায়নিক পরিমাণ অপটিক্যাল পথকে প্রভাবিত করে, তখন এই পরামিতিগুলি অনুরূপভাবে পরিবর্তিত হয়। অপটিক্যাল ফাইবার সেন্সিং এই পরামিতি এবং বাহ্যিক কারণগুলির মধ্যে সম্পর্কের উপর ভিত্তি করে সংশ্লিষ্ট ভৌত পরিমাণ সনাক্ত করার জন্য।

অনেক ধরনের আছেলেজার উৎসঅপটিক্যাল ফাইবার সেন্সিং সিস্টেমে ব্যবহৃত হয়, যা দুটি বিভাগে বিভক্ত করা যেতে পারে: সুসঙ্গতলেজার উত্সএবং বেমানান আলোর উৎস, অসংলগ্নআলোর উত্সপ্রধানত ভাস্বর আলো এবং আলো-নির্গত ডায়োডগুলি অন্তর্ভুক্ত করে এবং সুসংগত আলোর উত্সগুলির মধ্যে রয়েছে কঠিন লেজার, তরল লেজার, গ্যাস লেজার,সেমিকন্ডাক্টর লেজারএবংফাইবার লেজার. নিম্নলিখিত জন্য প্রধানতলেজার আলোর উৎসসাম্প্রতিক বছরগুলিতে ফাইবার সেন্সিং ক্ষেত্রে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত: সরু লাইন প্রস্থ একক-ফ্রিকোয়েন্সি লেজার, একক-তরঙ্গদৈর্ঘ্য সুইপ ফ্রিকোয়েন্সি লেজার এবং সাদা লেজার।

1.1 সংকীর্ণ লাইনউইথের জন্য প্রয়োজনীয়তালেজার আলোর উত্স

অপটিক্যাল ফাইবার সেন্সিং সিস্টেমকে লেজারের উৎস থেকে আলাদা করা যাবে না, যেহেতু পরিমাপকৃত সংকেত ক্যারিয়ার আলোর তরঙ্গ, লেজারের আলোর উৎস নিজেই কর্মক্ষমতা, যেমন পাওয়ার স্থায়িত্ব, লেজার লাইনউইথ, ফেজ নয়েজ এবং অপটিক্যাল ফাইবার সেন্সিং সিস্টেমের দূরত্ব সনাক্তকরণের উপর অন্যান্য পরামিতি। নির্ভুলতা, সংবেদনশীলতা এবং শব্দ বৈশিষ্ট্য একটি নিষ্পত্তিমূলক ভূমিকা পালন করে। সাম্প্রতিক বছরগুলিতে, দীর্ঘ-দূরত্বের অতি-উচ্চ রেজোলিউশনের অপটিক্যাল ফাইবার সেন্সিং সিস্টেমের বিকাশের সাথে, একাডেমিয়া এবং শিল্প লেজার ক্ষুদ্রকরণের লাইনউইথ কর্মক্ষমতার জন্য আরও কঠোর প্রয়োজনীয়তা পেশ করেছে, প্রধানত: অপটিক্যাল ফ্রিকোয়েন্সি ডোমেন রিফ্লেকশন (OFDR) প্রযুক্তি সুসঙ্গত ব্যবহার করে বিস্তৃত কভারেজ (হাজার মিটার) সহ ফ্রিকোয়েন্সি ডোমেনে অপটিক্যাল ফাইবারের ব্যাকরেলে বিক্ষিপ্ত সংকেত বিশ্লেষণ করার জন্য সনাক্তকরণ প্রযুক্তি। উচ্চ রেজোলিউশন (মিলিমিটার-লেভেল রেজোলিউশন) এবং উচ্চ সংবেদনশীলতা (-100 dBm পর্যন্ত) এর সুবিধাগুলি বিতরণকৃত অপটিক্যাল ফাইবার পরিমাপ এবং সেন্সিং প্রযুক্তিতে ব্যাপক প্রয়োগের সম্ভাবনা সহ প্রযুক্তিগুলির মধ্যে একটি হয়ে উঠেছে। OFDR প্রযুক্তির মূল হল অপটিক্যাল ফ্রিকোয়েন্সি টিউনিং অর্জনের জন্য টিউনযোগ্য আলোর উত্স ব্যবহার করা, তাই লেজার উত্সের কর্মক্ষমতা OFDR সনাক্তকরণ পরিসীমা, সংবেদনশীলতা এবং রেজোলিউশনের মতো মূল কারণগুলি নির্ধারণ করে। যখন প্রতিফলন বিন্দুর দূরত্ব সুসংগত দৈর্ঘ্যের কাছাকাছি থাকে, তখন বীট সংকেতের তীব্রতা τ/τc সহগ দ্বারা দ্রুতগতিতে হ্রাস করা হবে। একটি বর্ণালী আকৃতি সহ একটি গাউসিয়ান আলোর উত্সের জন্য, বীট ফ্রিকোয়েন্সি 90% এর বেশি দৃশ্যমানতা নিশ্চিত করার জন্য, আলোর উত্সের লাইনের প্রস্থ এবং সিস্টেমটি সর্বাধিক সেন্সিং দৈর্ঘ্যের মধ্যে সম্পর্ক যা অর্জন করতে পারে তা হল Lmax~0.04vg /f, যার মানে হল 80 কিমি দৈর্ঘ্যের একটি ফাইবারের জন্য, আলোর উৎসের লাইনের প্রস্থ 100 Hz-এর কম। এছাড়াও, অন্যান্য অ্যাপ্লিকেশনগুলির বিকাশও আলোর উত্সের লাইনউইথের জন্য উচ্চতর প্রয়োজনীয়তাকে এগিয়ে দেয়। উদাহরণস্বরূপ, অপটিক্যাল ফাইবার হাইড্রোফোন সিস্টেমে, আলোর উৎসের লাইনউইথ সিস্টেমের শব্দ নির্ধারণ করে এবং সিস্টেমের ন্যূনতম পরিমাপযোগ্য সংকেতও নির্ধারণ করে। Brillouin অপটিক্যাল টাইম ডোমেইন প্রতিফলক (BOTDR), তাপমাত্রা এবং চাপের পরিমাপ রেজোলিউশন প্রধানত আলোর উৎসের লাইনউইথ দ্বারা নির্ধারিত হয়। একটি রেজোনেটর ফাইবার অপটিক গাইরোতে, আলোর উত্সের লাইনের প্রস্থ হ্রাস করে আলোক তরঙ্গের সুসংগত দৈর্ঘ্য বাড়ানো যেতে পারে, যার ফলে অনুরণকের সূক্ষ্মতা এবং অনুরণন গভীরতা উন্নত করা যায়, অনুরণকের লাইনের প্রস্থ হ্রাস করা যায় এবং পরিমাপ নিশ্চিত করা যায়। ফাইবার অপটিক গাইরোর নির্ভুলতা।

1.2 সুইপ লেজার উত্স জন্য প্রয়োজনীয়তা

একক তরঙ্গদৈর্ঘ্য সুইপ লেজারের নমনীয় তরঙ্গদৈর্ঘ্য টিউনিং কর্মক্ষমতা রয়েছে, একাধিক আউটপুট ফিক্সড তরঙ্গদৈর্ঘ্য লেজার প্রতিস্থাপন করতে পারে, সিস্টেম নির্মাণের খরচ কমাতে পারে, অপটিক্যাল ফাইবার সেন্সিং সিস্টেমের একটি অপরিহার্য অংশ। উদাহরণস্বরূপ, ট্রেস গ্যাস ফাইবার সেন্সিং-এ, বিভিন্ন ধরণের গ্যাসের বিভিন্ন গ্যাস শোষণের শিখর থাকে। পরিমাপ গ্যাস পর্যাপ্ত হলে আলো শোষণ দক্ষতা নিশ্চিত করতে এবং উচ্চ পরিমাপের সংবেদনশীলতা অর্জন করতে, গ্যাস অণুর শোষণের শিখরের সাথে সংক্রমণ আলোর উত্সের তরঙ্গদৈর্ঘ্য সারিবদ্ধ করা প্রয়োজন। যে ধরনের গ্যাস সনাক্ত করা যায় তা মূলত সেন্সিং আলোর উৎসের তরঙ্গদৈর্ঘ্য দ্বারা নির্ধারিত হয়। অতএব, স্থিতিশীল ব্রডব্যান্ড টিউনিং কর্মক্ষমতা সহ সংকীর্ণ লাইনউইথ লেজারগুলির এই ধরনের সেন্সিং সিস্টেমে উচ্চ পরিমাপের নমনীয়তা রয়েছে। উদাহরণস্বরূপ, অপটিক্যাল ফ্রিকোয়েন্সি ডোমেন প্রতিফলনের উপর ভিত্তি করে কিছু বিতরণকৃত অপটিক্যাল ফাইবার সেন্সিং সিস্টেমে, উচ্চ-নির্ভুল সুসঙ্গত সনাক্তকরণ এবং অপটিক্যাল সিগন্যালগুলির ডিমডুলেশন অর্জনের জন্য লেজারকে পর্যায়ক্রমে দ্রুত তরান্বিত করা প্রয়োজন, তাই লেজার উত্সের মড্যুলেশন হার তুলনামূলকভাবে উচ্চ প্রয়োজনীয়তা রয়েছে। , এবং সামঞ্জস্যযোগ্য লেজারের সুইপ গতি সাধারণত 10 pm/μs এ পৌঁছাতে হয়। উপরন্তু, তরঙ্গদৈর্ঘ্য টিউনযোগ্য সংকীর্ণ লাইনউইথ লেজারটি liDAR, লেজার রিমোট সেন্সিং এবং উচ্চ-রেজোলিউশন বর্ণালী বিশ্লেষণ এবং অন্যান্য সেন্সিং ক্ষেত্রগুলিতে ব্যাপকভাবে ব্যবহার করা যেতে পারে। ফাইবার সেন্সিং এর ক্ষেত্রে টিউনিং ব্যান্ডউইথ, টিউনিং নির্ভুলতা এবং একক-তরঙ্গদৈর্ঘ্য লেজারগুলির টিউনিং গতির উচ্চ কার্যকারিতা পরামিতিগুলির প্রয়োজনীয়তাগুলি পূরণ করার জন্য, সাম্প্রতিক বছরগুলিতে টিউনযোগ্য সংকীর্ণ-প্রস্থ ফাইবার লেজারগুলি অধ্যয়ন করার সামগ্রিক লক্ষ্য হল উচ্চ-সম্পাদনা। অতি-সংকীর্ণ লেজার লাইনউইথ, অতি-নিম্ন ফেজ নয়েজ, এবং অতি-স্থিতিশীল আউটপুট ফ্রিকোয়েন্সি এবং শক্তি অনুসরণের ভিত্তিতে একটি বৃহত্তর তরঙ্গদৈর্ঘ্যের পরিসরে নির্ভুল টিউনিং।

1.3 সাদা লেজারের আলোর উৎসের চাহিদা

অপটিক্যাল সেন্সিং এর ক্ষেত্রে, সিস্টেমের কর্মক্ষমতা উন্নত করার জন্য উচ্চ-মানের সাদা আলো লেজার অত্যন্ত তাৎপর্যপূর্ণ। সাদা আলো লেজারের স্পেকট্রাম কভারেজ যত বেশি, অপটিক্যাল ফাইবার সেন্সিং সিস্টেমে এর প্রয়োগ তত বেশি। উদাহরণস্বরূপ, একটি সেন্সর নেটওয়ার্ক নির্মাণের জন্য ফাইবার ব্র্যাগ গ্রেটিং (FBG) ব্যবহার করার সময়, ডিমোডুলেশনের জন্য বর্ণালী বিশ্লেষণ বা টিউনেবল ফিল্টার ম্যাচিং পদ্ধতি ব্যবহার করা যেতে পারে। প্রাক্তন নেটওয়ার্কে প্রতিটি FBG অনুরণিত তরঙ্গদৈর্ঘ্য সরাসরি পরীক্ষা করার জন্য একটি স্পেকট্রোমিটার ব্যবহার করেছিল। পরেরটি সেন্সিং-এ FBG ট্র্যাক এবং ক্যালিব্রেট করার জন্য একটি রেফারেন্স ফিল্টার ব্যবহার করে, উভয়েরই FBG-এর জন্য পরীক্ষামূলক আলোর উত্স হিসাবে একটি ব্রডব্যান্ড আলোর উত্স প্রয়োজন। যেহেতু প্রতিটি FBG অ্যাক্সেস নেটওয়ার্কের একটি নির্দিষ্ট সন্নিবেশ ক্ষতি হবে, এবং ব্যান্ডউইথ 0.1 এনএম-এর বেশি, একাধিক FBG-এর একযোগে ডিমোডুলেশনের জন্য উচ্চ শক্তি এবং উচ্চ ব্যান্ডউইথ সহ একটি ব্রডব্যান্ড আলোর উত্স প্রয়োজন। উদাহরণ স্বরূপ, যখন সেন্সিং এর জন্য লং পিরিয়ড ফাইবার গ্রেটিং (LPFG) ব্যবহার করা হয়, যেহেতু একটি সিঙ্গেল লস পিক এর ব্যান্ডউইথ 10 এনএম এর ক্রমানুসারে, তাই এর রেজোন্যান্টকে সঠিকভাবে চিহ্নিত করার জন্য পর্যাপ্ত ব্যান্ডউইথ এবং তুলনামূলকভাবে সমতল স্পেকট্রাম সহ একটি বিস্তৃত বর্ণালী আলোর উৎস প্রয়োজন। শীর্ষ বৈশিষ্ট্য। বিশেষ করে, অ্যাকোস্টো-অপটিক্যাল প্রভাব ব্যবহার করে নির্মিত অ্যাকোস্টিক ফাইবার গ্রেটিং (AIFG) বৈদ্যুতিক টিউনিংয়ের মাধ্যমে 1000 এনএম পর্যন্ত অনুরণিত তরঙ্গদৈর্ঘ্যের একটি টিউনিং পরিসীমা অর্জন করতে পারে। অতএব, এই ধরনের একটি অতি-প্রশস্ত টিউনিং পরিসরের সাথে গতিশীল ঝাঁঝরি পরীক্ষা একটি প্রশস্ত-স্পেকট্রাম আলোর উৎসের ব্যান্ডউইথ পরিসরের জন্য একটি বড় চ্যালেঞ্জ তৈরি করে। একইভাবে, সাম্প্রতিক বছরগুলিতে, কাত ব্রাগ ফাইবার গ্রেটিং ফাইবার সেন্সিং ক্ষেত্রেও ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়েছে। এর মাল্টি-পিক লস বর্ণালী বৈশিষ্ট্যের কারণে, তরঙ্গদৈর্ঘ্য বন্টন পরিসীমা সাধারণত 40 এনএম পর্যন্ত পৌঁছাতে পারে। এর সেন্সিং মেকানিজম সাধারণত একাধিক ট্রান্সমিশন পিকগুলির মধ্যে আপেক্ষিক আন্দোলনের তুলনা করা হয়, তাই এটির ট্রান্সমিশন স্পেকট্রাম সম্পূর্ণরূপে পরিমাপ করা প্রয়োজন। প্রশস্ত বর্ণালী আলোর উৎসের ব্যান্ডউইথ এবং শক্তি বেশি হওয়া প্রয়োজন।

2. দেশে এবং বিদেশে গবেষণা অবস্থা

2.1 সংকীর্ণ লাইনউইথ লেজারের আলোর উৎস

2.1.1 সংকীর্ণ লাইনউইথ সেমিকন্ডাক্টর বিতরণ করা প্রতিক্রিয়া লেজার

2006 সালে, Cliche et al. সেমিকন্ডাক্টরের মেগাহার্টজ স্কেল হ্রাস করা হয়েছেডিএফবি লেজার(ডিস্ট্রিবিউটেড ফিডব্যাক লেজার) বৈদ্যুতিক ফিডব্যাক পদ্ধতি ব্যবহার করে kHz স্কেলে; 2011 সালে, Kessler et al. 40 MHz এর অতি-সংকীর্ণ লাইনউইথ লেজার আউটপুট পেতে সক্রিয় প্রতিক্রিয়া নিয়ন্ত্রণের সাথে মিলিত নিম্ন তাপমাত্রা এবং উচ্চ স্থিতিশীলতা একক স্ফটিক গহ্বর ব্যবহার করা হয়েছে; 2013 সালে, Peng এট আল এক্সটার্নাল ফেব্রি-পেরট (FP) ফিডব্যাক অ্যাডজাস্টমেন্ট পদ্ধতি ব্যবহার করে 15 kHz এর লাইনউইথ সহ একটি সেমিকন্ডাক্টর লেজার আউটপুট প্রাপ্ত করেছে। বৈদ্যুতিক প্রতিক্রিয়া পদ্ধতিটি মূলত পন্ড-ড্রেভার-হল ফ্রিকোয়েন্সি স্ট্যাবিলাইজেশন ফিডব্যাক ব্যবহার করে যাতে আলোর উৎসের লেজারের লাইনউইথ কম হয়। 2010 সালে, Bernhardi et al. একটি সিলিকন অক্সাইড সাবস্ট্রেটে 1 সেন্টিমিটার এর্বিয়াম-ডোপড অ্যালুমিনা FBG তৈরি করে প্রায় 1.7 kHz লাইনের প্রস্থ সহ একটি লেজার আউটপুট পেতে। একই বছরে, লিয়াং এট আল। সেমিকন্ডাক্টর লেজার লাইন-প্রস্থ কম্প্রেশনের জন্য একটি উচ্চ-কিউ ইকো ওয়াল রেজোনেটর দ্বারা গঠিত ব্যাকওয়ার্ড রেইলে স্ক্যাটারিং-এর স্ব-ইঞ্জেকশন ফিডব্যাক ব্যবহার করেছে, যেমন চিত্র 1-এ দেখানো হয়েছে, এবং অবশেষে 160 Hz এর একটি সংকীর্ণ লাইন-প্রস্থ লেজার আউটপুট পেয়েছে।

চিত্র 1 (ক) বহিরাগত হুইস্পারিং গ্যালারি মোড রেজোনেটরের সেলফ-ইনজেকশন রেইলি স্ক্যাটারিংয়ের উপর ভিত্তি করে সেমিকন্ডাক্টর লেজার লাইনউইথ কম্প্রেশনের চিত্র;
(b) 8 MHz এর লাইনউইথ সহ বিনামূল্যে চলমান সেমিকন্ডাক্টর লেজারের ফ্রিকোয়েন্সি স্পেকট্রাম;
(c) 160 Hz এ সংকুচিত লাইনউইথ সহ লেজারের ফ্রিকোয়েন্সি স্পেকট্রাম
2.1.2 সংকীর্ণ লাইনউইথ ফাইবার লেজার

রৈখিক গহ্বর ফাইবার লেজারের জন্য, একক অনুদৈর্ঘ্য মোডের সংকীর্ণ লাইনউইথ লেজার আউটপুট অনুরণকের দৈর্ঘ্য ছোট করে এবং অনুদৈর্ঘ্য মোড ব্যবধান বাড়িয়ে প্রাপ্ত হয়। 2004 সালে, Spiegelberg et al. DBR সংক্ষিপ্ত গহ্বর পদ্ধতি ব্যবহার করে 2 kHz এর একটি লাইনউইথ সহ একটি একক অনুদৈর্ঘ্য মোড সংকীর্ণ লাইনউইথ লেজার আউটপুট প্রাপ্ত। 2007 সালে, শেন এট আল। একটি Bi-Ge সহ-ডোপড ফটোসেনসিটিভ ফাইবারে FBG লেখার জন্য একটি 2 সেন্টিমিটার ভারী এর্বিয়াম-ডোপড সিলিকন ফাইবার ব্যবহার করা হয়েছে এবং একটি কম্প্যাক্ট রৈখিক গহ্বর তৈরি করার জন্য এটিকে একটি সক্রিয় ফাইবারের সাথে মিশ্রিত করেছে, যার লেজার আউটপুট লাইনের প্রস্থ 1 kHz-এর কম হয়েছে৷ 2010 সালে, ইয়াং এট আল। 2 kHz এর কম লাইন প্রস্থ সহ একটি একক অনুদৈর্ঘ্য মোড লেজার আউটপুট পেতে একটি সংকীর্ণ ব্যান্ড FBG ফিল্টারের সাথে মিলিত একটি 2cm উচ্চ ডোপড ছোট রৈখিক গহ্বর ব্যবহার করা হয়েছে। 2014 সালে, দলটি একটি FBG-FP ফিল্টারের সাথে মিলিত একটি সংক্ষিপ্ত রৈখিক গহ্বর (ভার্চুয়াল ভাঁজ করা রিং রেজোনেটর) ব্যবহার করে একটি সংকীর্ণ লাইন প্রস্থ সহ একটি লেজার আউটপুট পেতে, যেমন চিত্র 3 এ দেখানো হয়েছে। 2012 সালে, Cai et al. 114 মেগাওয়াটের বেশি আউটপুট পাওয়ার, 1540.3 এনএম কেন্দ্রীয় তরঙ্গদৈর্ঘ্য এবং 4.1 কিলোহার্টজ লাইনের প্রস্থ সহ একটি পোলারাইজিং লেজার আউটপুট পাওয়ার জন্য একটি 1.4 সেমি ছোট গহ্বর কাঠামো ব্যবহার করা হয়েছে। 2013 সালে, মেং এট আল। 10 মেগাওয়াটের আউটপুট শক্তি সহ একটি একক-লংগিটুডিনাল মোড, লো-ফেজ নয়েজ লেজার আউটপুট পাওয়ার জন্য একটি ফুল-বায়াস সংরক্ষণকারী ডিভাইসের একটি ছোট রিং ক্যাভিটি সহ এর্বিয়াম-ডোপড ফাইবারের ব্রিলুইন স্ক্যাটারিং ব্যবহার করা হয়েছে। 2015 সালে, দলটি 45 সেন্টিমিটার এর্বিয়াম-ডোপড ফাইবার দ্বারা গঠিত একটি রিং ক্যাভিটি ব্যবহার করে একটি কম থ্রেশহোল্ড এবং সরু লাইনউইথ লেজার আউটপুট পাওয়ার জন্য ব্রিলুইন স্ক্যাটারিং গেইন মিডিয়াম হিসেবে।

চিত্র 2 (ক) SLC ফাইবার লেজারের পরিকল্পিত অঙ্কন;
(b) 97.6 কিমি ফাইবার বিলম্বের সাথে পরিমাপ করা হেটেরোডাইন সিগন্যালের লাইনশেপ