অপটিক্যাল ফাইবার সেন্সিংয়ের জন্য লেজার সোর্স প্রযুক্তি প্রথম অংশ

লেজার সোর্স প্রযুক্তির জন্যঅপটিক্যাল ফাইবারসেন্সিং পার্ট ওয়ান

অপটিক্যাল ফাইবার সেন্সিং প্রযুক্তি হল অপটিক্যাল ফাইবার প্রযুক্তি এবং অপটিক্যাল ফাইবার যোগাযোগ প্রযুক্তির সাথে বিকশিত এক ধরণের সেন্সিং প্রযুক্তি এবং এটি আলোক-বিদ্যুৎ প্রযুক্তির সবচেয়ে সক্রিয় শাখাগুলির মধ্যে একটি হয়ে উঠেছে। অপটিক্যাল ফাইবার সেন্সিং সিস্টেম মূলত লেজার, ট্রান্সমিশন ফাইবার, সেন্সিং উপাদান বা মড্যুলেশন এলাকা, আলো সনাক্তকরণ এবং অন্যান্য অংশ নিয়ে গঠিত। আলোক তরঙ্গের বৈশিষ্ট্য বর্ণনাকারী পরামিতিগুলির মধ্যে রয়েছে তীব্রতা, তরঙ্গদৈর্ঘ্য, পর্যায়, মেরুকরণ অবস্থা ইত্যাদি। অপটিক্যাল ফাইবার ট্রান্সমিশনে বাহ্যিক প্রভাব দ্বারা এই পরামিতিগুলি পরিবর্তিত হতে পারে। উদাহরণস্বরূপ, যখন তাপমাত্রা, স্ট্রেন, চাপ, কারেন্ট, স্থানচ্যুতি, কম্পন, ঘূর্ণন, নমন এবং রাসায়নিক পরিমাণ অপটিক্যাল পথকে প্রভাবিত করে, তখন এই পরামিতিগুলি অনুরূপভাবে পরিবর্তিত হয়। অপটিক্যাল ফাইবার সেন্সিং সংশ্লিষ্ট ভৌত পরিমাণ সনাক্ত করার জন্য এই পরামিতিগুলি এবং বাহ্যিক কারণগুলির মধ্যে সম্পর্কের উপর ভিত্তি করে তৈরি করা হয়।

অনেক ধরণের আছেলেজার উৎসঅপটিক্যাল ফাইবার সেন্সিং সিস্টেমে ব্যবহৃত হয়, যা দুটি বিভাগে বিভক্ত করা যেতে পারে: সুসঙ্গতলেজার উৎসএবং অসংলগ্ন আলোক উৎস, অসংলগ্নআলোক উৎসপ্রধানত ভাস্বর আলো এবং আলোক-নির্গমনকারী ডায়োড অন্তর্ভুক্ত, এবং সুসংগত আলোক উৎসগুলির মধ্যে রয়েছে কঠিন লেজার, তরল লেজার, গ্যাস লেজার,সেমিকন্ডাক্টর লেজারএবংফাইবার লেজারনিম্নলিখিতটি মূলতলেজার আলোর উৎসসাম্প্রতিক বছরগুলিতে ফাইবার সেন্সিংয়ের ক্ষেত্রে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়েছে: সংকীর্ণ রেখা প্রস্থ একক-ফ্রিকোয়েন্সি লেজার, একক-তরঙ্গদৈর্ঘ্য সুইপ ফ্রিকোয়েন্সি লেজার এবং সাদা লেজার।

১.১ সংকীর্ণ লাইনউইথের জন্য প্রয়োজনীয়তালেজার আলোর উৎস

অপটিক্যাল ফাইবার সেন্সিং সিস্টেমকে লেজার উৎস থেকে আলাদা করা যায় না, কারণ পরিমাপ করা সংকেত বাহক আলোক তরঙ্গ, লেজার আলোর উৎসের কর্মক্ষমতা, যেমন পাওয়ার স্থিতিশীলতা, লেজার লাইনউইথ, ফেজ নয়েজ এবং অপটিক্যাল ফাইবার সেন্সিং সিস্টেমের সনাক্তকরণ দূরত্ব, সনাক্তকরণ নির্ভুলতা, সংবেদনশীলতা এবং শব্দ বৈশিষ্ট্যের অন্যান্য পরামিতি একটি নির্ধারক ভূমিকা পালন করে। সাম্প্রতিক বছরগুলিতে, দীর্ঘ-দূরত্বের অতি-উচ্চ রেজোলিউশন অপটিক্যাল ফাইবার সেন্সিং সিস্টেমের বিকাশের সাথে সাথে, শিক্ষাবিদ এবং শিল্প লেজার ক্ষুদ্রাকৃতিকরণের লাইনউইথ কর্মক্ষমতার জন্য আরও কঠোর প্রয়োজনীয়তা পেশ করেছে, প্রধানত: অপটিক্যাল ফ্রিকোয়েন্সি ডোমেন প্রতিফলন (OFDR) প্রযুক্তি ফ্রিকোয়েন্সি ডোমেনে অপটিক্যাল ফাইবারের ব্যাকরেলে বিক্ষিপ্ত সংকেত বিশ্লেষণ করতে সুসংগত সনাক্তকরণ প্রযুক্তি ব্যবহার করে, যার বিস্তৃত কভারেজ (হাজার হাজার মিটার)। উচ্চ রেজোলিউশন (মিলিমিটার-স্তরের রেজোলিউশন) এবং উচ্চ সংবেদনশীলতা (-100 dBm পর্যন্ত) এর সুবিধাগুলি বিতরণকৃত অপটিক্যাল ফাইবার পরিমাপ এবং সেন্সিং প্রযুক্তিতে বিস্তৃত প্রয়োগ সম্ভাবনা সহ প্রযুক্তিগুলির মধ্যে একটি হয়ে উঠেছে। OFDR প্রযুক্তির মূল বিষয় হল অপটিক্যাল ফ্রিকোয়েন্সি টিউনিং অর্জনের জন্য টিউনেবল আলোর উৎস ব্যবহার করা, তাই লেজার উৎসের কর্মক্ষমতা OFDR সনাক্তকরণ পরিসর, সংবেদনশীলতা এবং রেজোলিউশনের মতো মূল বিষয়গুলি নির্ধারণ করে। যখন প্রতিফলন বিন্দুর দূরত্ব সুসংগত দৈর্ঘ্যের কাছাকাছি থাকে, তখন বিট সিগন্যালের তীব্রতা τ/τc সহগ দ্বারা সূচকীয়ভাবে হ্রাস পাবে। বর্ণালী আকৃতির একটি গাউসিয়ান আলোক উৎসের জন্য, বিট ফ্রিকোয়েন্সি 90% এর বেশি দৃশ্যমানতা নিশ্চিত করার জন্য, আলোক উৎসের রেখা প্রস্থ এবং সিস্টেমটি যে সর্বাধিক সংবেদন দৈর্ঘ্য অর্জন করতে পারে তার মধ্যে সম্পর্ক হল Lmax~0.04vg/f, যার অর্থ হল 80 কিলোমিটার দৈর্ঘ্যের একটি ফাইবারের জন্য, আলোক উৎসের রেখা প্রস্থ 100 Hz এর কম। এছাড়াও, অন্যান্য অ্যাপ্লিকেশনগুলির বিকাশ আলোক উৎসের লাইন প্রস্থের জন্য উচ্চতর প্রয়োজনীয়তাও সামনে রেখেছিল। উদাহরণস্বরূপ, অপটিক্যাল ফাইবার হাইড্রোফোন সিস্টেমে, আলোক উৎসের লাইন প্রস্থ সিস্টেমের শব্দ নির্ধারণ করে এবং সিস্টেমের ন্যূনতম পরিমাপযোগ্য সংকেতও নির্ধারণ করে। ব্রিলোইন অপটিক্যাল টাইম ডোমেন প্রতিফলক (BOTDR) তে, তাপমাত্রা এবং চাপের পরিমাপ রেজোলিউশন মূলত আলোক উৎসের লাইন প্রস্থ দ্বারা নির্ধারিত হয়। একটি রেজোনেটর ফাইবার অপটিক গাইরোতে, আলোক উৎসের রেখার প্রস্থ হ্রাস করে আলোক তরঙ্গের সুসংগত দৈর্ঘ্য বৃদ্ধি করা যেতে পারে, যার ফলে অনুরণনের সূক্ষ্মতা এবং অনুরণন গভীরতা উন্নত হয়, অনুরণনের রেখার প্রস্থ হ্রাস পায় এবং ফাইবার অপটিক গাইরোর পরিমাপের নির্ভুলতা নিশ্চিত করা যায়।

১.২ সুইপ লেজার উৎসের জন্য প্রয়োজনীয়তা

একক তরঙ্গদৈর্ঘ্য সুইপ লেজারের নমনীয় তরঙ্গদৈর্ঘ্য টিউনিং কর্মক্ষমতা রয়েছে, একাধিক আউটপুট স্থির তরঙ্গদৈর্ঘ্য লেজার প্রতিস্থাপন করতে পারে, সিস্টেম নির্মাণের খরচ কমাতে পারে, অপটিক্যাল ফাইবার সেন্সিং সিস্টেমের একটি অপরিহার্য অংশ। উদাহরণস্বরূপ, ট্রেস গ্যাস ফাইবার সেন্সিংয়ে, বিভিন্ন ধরণের গ্যাসের বিভিন্ন গ্যাস শোষণের শিখর থাকে। পরিমাপ গ্যাস পর্যাপ্ত হলে আলো শোষণ দক্ষতা নিশ্চিত করতে এবং উচ্চ পরিমাপ সংবেদনশীলতা অর্জনের জন্য, ট্রান্সমিশন আলোর উৎসের তরঙ্গদৈর্ঘ্য গ্যাস অণুর শোষণের শিখরের সাথে সারিবদ্ধ করা প্রয়োজন। যে ধরণের গ্যাস সনাক্ত করা যেতে পারে তা মূলত সেন্সিং আলোর উৎসের তরঙ্গদৈর্ঘ্য দ্বারা নির্ধারিত হয়। অতএব, স্থিতিশীল ব্রডব্যান্ড টিউনিং কর্মক্ষমতা সহ সংকীর্ণ লাইনউইথ লেজারগুলিতে এই ধরনের সেন্সিং সিস্টেমে উচ্চ পরিমাপ নমনীয়তা থাকে। উদাহরণস্বরূপ, অপটিক্যাল ফ্রিকোয়েন্সি ডোমেন প্রতিফলনের উপর ভিত্তি করে কিছু বিতরণকৃত অপটিক্যাল ফাইবার সেন্সিং সিস্টেমে, অপটিক্যাল সংকেতগুলির উচ্চ-নির্ভুলতা সুসংগত সনাক্তকরণ এবং ডিমোডুলেশন অর্জনের জন্য লেজারকে দ্রুত পর্যায়ক্রমে সুইপ করতে হয়, তাই লেজার উৎসের মড্যুলেশন হারের তুলনামূলকভাবে উচ্চ প্রয়োজনীয়তা রয়েছে এবং সামঞ্জস্যযোগ্য লেজারের সুইপ গতি সাধারণত 10 pm/μs পৌঁছাতে হয়। এছাড়াও, তরঙ্গদৈর্ঘ্যের টিউনেবল ন্যারো লাইনউইথ লেজারটি liDAR, লেজার রিমোট সেন্সিং এবং উচ্চ-রেজোলিউশন বর্ণালী বিশ্লেষণ এবং অন্যান্য সেন্সিং ক্ষেত্রেও ব্যাপকভাবে ব্যবহার করা যেতে পারে। ফাইবার সেন্সিংয়ের ক্ষেত্রে একক-তরঙ্গদৈর্ঘ্য লেজারের টিউনিং ব্যান্ডউইথ, টিউনিং নির্ভুলতা এবং টিউনিং গতির উচ্চ কর্মক্ষমতা পরামিতিগুলির প্রয়োজনীয়তা পূরণ করার জন্য, সাম্প্রতিক বছরগুলিতে টিউনেবল ন্যারো-প্রস্থ ফাইবার লেজারগুলি অধ্যয়নের সামগ্রিক লক্ষ্য হল অতি-সংকীর্ণ লেজার লাইনউইথ, অতি-নিম্ন ফেজ শব্দ এবং অতি-স্থিতিশীল আউটপুট ফ্রিকোয়েন্সি এবং শক্তি অনুসরণের ভিত্তিতে বৃহত্তর তরঙ্গদৈর্ঘ্য পরিসরে উচ্চ-নির্ভুলতা টিউনিং অর্জন করা।

১.৩ সাদা লেজার আলোর উৎসের চাহিদা

অপটিক্যাল সেন্সিংয়ের ক্ষেত্রে, সিস্টেমের কর্মক্ষমতা উন্নত করার জন্য উচ্চমানের সাদা আলো লেজার অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। সাদা আলো লেজারের বর্ণালী কভারেজ যত বিস্তৃত হবে, অপটিক্যাল ফাইবার সেন্সিং সিস্টেমে এর প্রয়োগ তত বেশি বিস্তৃত হবে। উদাহরণস্বরূপ, সেন্সর নেটওয়ার্ক তৈরি করতে ফাইবার ব্র্যাগ গ্রেটিং (FBG) ব্যবহার করার সময়, ডিমোডুলেশনের জন্য বর্ণালী বিশ্লেষণ বা টিউনেবল ফিল্টার ম্যাচিং পদ্ধতি ব্যবহার করা যেতে পারে। প্রথমটি নেটওয়ার্কে প্রতিটি FBG অনুরণিত তরঙ্গদৈর্ঘ্য সরাসরি পরীক্ষা করার জন্য একটি স্পেকট্রোমিটার ব্যবহার করেছিল। দ্বিতীয়টি সেন্সিংয়ে FBG ট্র্যাক এবং ক্যালিব্রেট করার জন্য একটি রেফারেন্স ফিল্টার ব্যবহার করে, যার উভয়ের জন্য FBG-এর জন্য একটি পরীক্ষামূলক আলোর উৎস হিসাবে একটি ব্রডব্যান্ড আলোর উৎস প্রয়োজন। যেহেতু প্রতিটি FBG অ্যাক্সেস নেটওয়ার্কের একটি নির্দিষ্ট সন্নিবেশ ক্ষতি হবে এবং এর ব্যান্ডউইথ 0.1 nm-এর বেশি হবে, তাই একাধিক FBG-এর একযোগে ডিমোডুলেশনের জন্য উচ্চ শক্তি এবং উচ্চ ব্যান্ডউইথ সহ একটি ব্রডব্যান্ড আলোর উৎস প্রয়োজন। উদাহরণস্বরূপ, লং পিরিয়ড ফাইবার গ্রেটিং (LPFG) ব্যবহার করার সময়, যেহেতু একটি একক লস পিকের ব্যান্ডউইথ 10 এনএম এর মধ্যে থাকে, তাই এর রেজোন্যান্ট পিক বৈশিষ্ট্যগুলি সঠিকভাবে চিহ্নিত করার জন্য পর্যাপ্ত ব্যান্ডউইথ এবং তুলনামূলকভাবে সমতল বর্ণালী সহ একটি বিস্তৃত বর্ণালী আলোক উৎসের প্রয়োজন হয়। বিশেষ করে, অ্যাকোস্টো-অপটিক্যাল প্রভাব ব্যবহার করে নির্মিত অ্যাকোস্টিক ফাইবার গ্রেটিং (AIFG) বৈদ্যুতিক টিউনিংয়ের মাধ্যমে 1000 এনএম পর্যন্ত অনুরণিত তরঙ্গদৈর্ঘ্যের একটি টিউনিং পরিসর অর্জন করতে পারে। অতএব, এই ধরনের অতি-প্রশস্ত টিউনিং পরিসরের সাথে গতিশীল গ্রেটিং পরীক্ষা একটি প্রশস্ত-স্পেকট্রাম আলোক উৎসের ব্যান্ডউইথ পরিসরের জন্য একটি বড় চ্যালেঞ্জ তৈরি করে। একইভাবে, সাম্প্রতিক বছরগুলিতে, ফাইবার সেন্সিংয়ের ক্ষেত্রে টিল্টেড ব্র্যাগ ফাইবার গ্রেটিংও ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়েছে। এর মাল্টি-পিক লস স্পেকট্রাম বৈশিষ্ট্যের কারণে, তরঙ্গদৈর্ঘ্য বিতরণ পরিসর সাধারণত 40 এনএম এ পৌঁছাতে পারে। এর সেন্সিং প্রক্রিয়াটি সাধারণত একাধিক ট্রান্সমিশন পিকের মধ্যে আপেক্ষিক গতিবিধি তুলনা করা হয়, তাই এর ট্রান্সমিশন স্পেকট্রাম সম্পূর্ণরূপে পরিমাপ করা প্রয়োজন। প্রশস্ত বর্ণালী আলোক উৎসের ব্যান্ডউইথ এবং শক্তি বেশি হওয়া প্রয়োজন।

২. দেশে এবং বিদেশে গবেষণার অবস্থা

২.১ সংকীর্ণ লাইনউইথ লেজার আলোর উৎস

২.১.১ সংকীর্ণ লাইনউইথ সেমিকন্ডাক্টর ডিস্ট্রিবিউটেড ফিডব্যাক লেজার

২০০৬ সালে, ক্লিশে এবং অন্যান্যরা সেমিকন্ডাক্টরের MHz স্কেল কমিয়ে দেনডিএফবি লেজার(বিতরণকৃত প্রতিক্রিয়া লেজার) বৈদ্যুতিক প্রতিক্রিয়া পদ্ধতি ব্যবহার করে kHz স্কেলে; ২০১১ সালে, কেসলার এবং অন্যান্যরা কম তাপমাত্রা এবং উচ্চ স্থিতিশীলতার একক স্ফটিক গহ্বর ব্যবহার করে সক্রিয় প্রতিক্রিয়া নিয়ন্ত্রণের সাথে মিলিত হয়ে ৪০ MHz অতি-সংকীর্ণ লাইনউইথ লেজার আউটপুট পান; ২০১৩ সালে, পেং এবং অন্যান্যরা বাহ্যিক ফ্যাব্রি-পেরট (FP) প্রতিক্রিয়া সমন্বয় পদ্ধতি ব্যবহার করে ১৫ kHz লাইনউইথ সহ একটি সেমিকন্ডাক্টর লেজার আউটপুট পান। বৈদ্যুতিক প্রতিক্রিয়া পদ্ধতি মূলত পন্ড-ড্রেভার-হল ফ্রিকোয়েন্সি স্থিতিশীলকরণ প্রতিক্রিয়া ব্যবহার করে আলোক উৎসের লেজার লাইনউইথ হ্রাস করে। ২০১০ সালে, বার্নহার্ডি এবং অন্যান্যরা প্রায় ১.৭ kHz লাইন প্রস্থের একটি লেজার আউটপুট পেতে একটি সিলিকন অক্সাইড সাবস্ট্রেটে ১ সেমি এর্বিয়াম-ডোপড অ্যালুমিনা FBG তৈরি করেন। একই বছরে, লিয়াং এবং অন্যান্যরা। চিত্র ১-এ দেখানো সেমিকন্ডাক্টর লেজার লাইন-প্রস্থ সংকোচনের জন্য একটি উচ্চ-Q ইকো ওয়াল রেজোনেটর দ্বারা গঠিত ব্যাকওয়ার্ড রেলে স্ক্যাটারিংয়ের স্ব-ইনজেকশন প্রতিক্রিয়া ব্যবহার করা হয়েছে এবং অবশেষে ১৬০ হার্জের একটি সংকীর্ণ লাইন-প্রস্থ লেজার আউটপুট পেয়েছে।

চিত্র ১ (ক) বহিরাগত হুইসপারিং গ্যালারি মোড রেজোনেটরের স্ব-ইনজেকশন রেইলে স্ক্যাটারিংয়ের উপর ভিত্তি করে সেমিকন্ডাক্টর লেজার লাইনউইথ কম্প্রেশনের চিত্র;
(খ) ৮ মেগাহার্টজ লাইনউইথ সহ মুক্ত চলমান সেমিকন্ডাক্টর লেজারের ফ্রিকোয়েন্সি বর্ণালী;
(গ) লেজারের ফ্রিকোয়েন্সি বর্ণালী যার লাইনউইথ 160 Hz পর্যন্ত সংকুচিত হয়
২.১.২ সংকীর্ণ লাইনউইথ ফাইবার লেজার

লিনিয়ার ক্যাভিটি ফাইবার লেজারের ক্ষেত্রে, একক অনুদৈর্ঘ্য মোডের সংকীর্ণ লাইনউইথ লেজার আউটপুট রেজোনেটরের দৈর্ঘ্য সংক্ষিপ্ত করে এবং অনুদৈর্ঘ্য মোড ব্যবধান বৃদ্ধি করে পাওয়া যায়। ২০০৪ সালে, স্পিগেলবার্গ এবং অন্যান্যরা DBR শর্ট ক্যাভিটি পদ্ধতি ব্যবহার করে ২ kHz লাইনউইথ সহ একটি একক অনুদৈর্ঘ্য মোড সংকীর্ণ লাইনউইথ লেজার আউটপুট অর্জন করেছিলেন। ২০০৭ সালে, শেন এবং অন্যান্যরা একটি Bi-Ge কো-ডোপড আলোক সংবেদনশীল ফাইবারে FBG লেখার জন্য ২ সেমি ভারী এর্বিয়াম-ডোপড সিলিকন ফাইবার ব্যবহার করেছিলেন এবং একটি সক্রিয় ফাইবারের সাথে মিশ্রিত করে একটি কম্প্যাক্ট লিনিয়ার ক্যাভিটি তৈরি করেছিলেন, যার ফলে এর লেজার আউটপুট লাইনের প্রস্থ ১ kHz এর কম হয়েছিল। ২০১০ সালে, ইয়াং এবং অন্যান্যরা একটি ২ সেমি উচ্চ ডোপড সংক্ষিপ্ত লিনিয়ার ক্যাভিটি ব্যবহার করেছিলেন একটি ন্যারোব্যান্ড FBG ফিল্টারের সাথে মিলিত হয়ে ২ kHz এর কম লাইন প্রস্থ সহ একটি একক অনুদৈর্ঘ্য মোড লেজার আউটপুট পান। ২০১৪ সালে, দলটি একটি FBG-FP ফিল্টারের সাথে একটি সংক্ষিপ্ত রৈখিক গহ্বর (ভার্চুয়াল ফোল্ডেড রিং রেজোনেটর) ব্যবহার করে একটি সংকীর্ণ রেখা প্রস্থের লেজার আউটপুট অর্জন করে, যেমন চিত্র ৩-এ দেখানো হয়েছে। ২০১২ সালে, কাই এবং অন্যান্যরা ১১৪ মেগাওয়াটের বেশি আউটপুট পাওয়ার, ১৫৪০.৩ এনএম কেন্দ্রীয় তরঙ্গদৈর্ঘ্য এবং ৪.১ কিলোহার্টজ লাইন প্রস্থের একটি পোলারাইজিং লেজার আউটপুট পেতে ১.৪ সেমি ছোট গহ্বর কাঠামো ব্যবহার করেছিলেন। ২০১৩ সালে, মেং এবং অন্যান্যরা একটি একক-অনুদৈর্ঘ্য মোড, ১০ মেগাওয়াটের আউটপুট পাওয়ার সহ লো-ফেজ নয়েজ লেজার আউটপুট পেতে একটি পূর্ণ-বায়াস সংরক্ষণকারী ডিভাইসের একটি ছোট রিং গহ্বর সহ এর্বিয়াম-ডোপড ফাইবারের ব্রিলোইন স্ক্যাটারিং ব্যবহার করেছিলেন। ২০১৫ সালে, দলটি একটি কম থ্রেশহোল্ড এবং সংকীর্ণ লাইন প্রস্থ লেজার আউটপুট পেতে ব্রিলোইন স্ক্যাটারিং লাভ মাধ্যম হিসাবে ৪৫ সেমি এর্বিয়াম-ডোপড ফাইবার দিয়ে তৈরি একটি রিং গহ্বর ব্যবহার করেছিল।

চিত্র ২ (ক) এসএলসি ফাইবার লেজারের পরিকল্পিত অঙ্কন;
(খ) ৯৭.৬ কিমি ফাইবার বিলম্বের সাথে পরিমাপ করা হেটেরোডাইন সিগন্যালের লাইনশেপ