آپٹیکل فائبر سینسنگ حصہ اول کے لیے لیزر سورس ٹیکنالوجی

لیزر ذریعہ ٹیکنالوجی کے لئےآپٹیکل فائبرسینسنگ حصہ اول

آپٹیکل فائبر سینسنگ ٹیکنالوجی ایک قسم کی سینسنگ ٹیکنالوجی ہے جو آپٹیکل فائبر ٹیکنالوجی اور آپٹیکل فائبر کمیونیکیشن ٹیکنالوجی کے ساتھ تیار کی گئی ہے، اور یہ فوٹو الیکٹرک ٹیکنالوجی کی سب سے زیادہ فعال شاخوں میں سے ایک بن گئی ہے۔ آپٹیکل فائبر سینسنگ سسٹم بنیادی طور پر لیزر، ٹرانسمیشن فائبر، سینسنگ عنصر یا ماڈیولیشن ایریا، روشنی کا پتہ لگانے اور دیگر حصوں پر مشتمل ہے۔ روشنی کی لہر کی خصوصیات کو بیان کرنے والے پیرامیٹرز میں شدت، طول موج، مرحلہ، پولرائزیشن سٹیٹ وغیرہ شامل ہیں۔ یہ پیرامیٹرز آپٹیکل فائبر ٹرانسمیشن میں بیرونی اثرات سے تبدیل ہو سکتے ہیں۔ مثال کے طور پر، جب درجہ حرارت، تناؤ، دباؤ، کرنٹ، نقل مکانی، کمپن، گردش، موڑنے اور کیمیائی مقدار آپٹیکل راستے کو متاثر کرتی ہے، تو یہ پیرامیٹرز اسی طرح تبدیل ہوتے ہیں۔ آپٹیکل فائبر سینسنگ متعلقہ جسمانی مقداروں کا پتہ لگانے کے لیے ان پیرامیٹرز اور بیرونی عوامل کے درمیان تعلق پر مبنی ہے۔

کی کئی اقسام ہیں۔لیزر ذریعہآپٹیکل فائبر سینسنگ سسٹم میں استعمال کیا جاتا ہے، جسے دو اقسام میں تقسیم کیا جا سکتا ہے: مربوطلیزر ذرائعاور متضاد روشنی کے ذرائع، متضادروشنی کے ذرائعبنیادی طور پر تاپدیپت روشنی اور روشنی خارج کرنے والے ڈایڈس شامل ہیں، اور مربوط روشنی کے ذرائع میں ٹھوس لیزرز، مائع لیزرز، گیس لیزرز،سیمی کنڈکٹر لیزراورفائبر لیزر. مندرجہ ذیل بنیادی طور پر کے لئے ہےلیزر روشنی کا ذریعہحالیہ برسوں میں فائبر سینسنگ کے میدان میں بڑے پیمانے پر استعمال کیا گیا: تنگ لائن چوڑائی سنگل فریکوئنسی لیزر، سنگل ویو لینتھ سویپ فریکوئنسی لیزر اور سفید لیزر۔

1.1 تنگ لکیر کی چوڑائی کے تقاضےلیزر روشنی کے ذرائع

آپٹیکل فائبر سینسنگ سسٹم کو لیزر سورس سے الگ نہیں کیا جا سکتا، جیسا کہ ماپا سگنل کیریئر لائٹ ویو، لیزر لائٹ سورس خود کارکردگی، جیسے پاور سٹیبلٹی، لیزر لائن وڈتھ، فیز شور اور دیگر پیرامیٹرز آپٹیکل فائبر سینسنگ سسٹم کا پتہ لگانے کے فاصلے پر۔ درستگی، حساسیت اور شور کی خصوصیات فیصلہ کن کردار ادا کرتی ہیں۔ حالیہ برسوں میں، طویل فاصلے کے الٹرا ہائی ریزولیوشن آپٹیکل فائبر سینسنگ سسٹمز کی ترقی کے ساتھ، اکیڈمی اور انڈسٹری نے لیزر منیٹورائزیشن کی لائن وِتھ کارکردگی کے لیے زیادہ سخت تقاضے پیش کیے ہیں، بنیادی طور پر: آپٹیکل فریکوئنسی ڈومین ریفلیکشن (OFDR) ٹیکنالوجی ہم آہنگ استعمال کرتی ہے۔ ایک وسیع کوریج (ہزاروں میٹر) کے ساتھ فریکوئنسی ڈومین میں آپٹیکل ریشوں کے بکھرے ہوئے سگنلز کا تجزیہ کرنے کے لیے پتہ لگانے والی ٹیکنالوجی۔ ہائی ریزولیوشن (ملی میٹر لیول ریزولوشن) اور اعلی حساسیت (-100 dBm تک) کے فوائد تقسیم شدہ آپٹیکل فائبر پیمائش اور سینسنگ ٹیکنالوجی میں وسیع اطلاق کے امکانات کے ساتھ ایک ٹیکنالوجی بن گئے ہیں۔ OFDR ٹیکنالوجی کا بنیادی مقصد آپٹیکل فریکوئنسی ٹیوننگ حاصل کرنے کے لیے ٹیون ایبل لائٹ سورس کا استعمال کرنا ہے، لہذا لیزر سورس کی کارکردگی OFDR کا پتہ لگانے کی حد، حساسیت اور ریزولوشن جیسے اہم عوامل کا تعین کرتی ہے۔ جب عکاسی نقطہ کا فاصلہ ہم آہنگی کی لمبائی کے قریب ہوتا ہے تو، بیٹ سگنل کی شدت کو τ/τc کے گتانک کے ذریعے تیزی سے کم کیا جائے گا۔ اسپیکٹرل شکل والے گاوسی لائٹ سورس کے لیے، اس بات کو یقینی بنانے کے لیے کہ بیٹ فریکوئنسی میں 90% سے زیادہ مرئیت ہے، روشنی کے منبع کی لکیر کی چوڑائی اور زیادہ سے زیادہ سینسنگ لمبائی کے درمیان تعلق Lmax~0.04vg ہے۔ /f، جس کا مطلب ہے کہ 80 کلومیٹر کی لمبائی والے فائبر کے لیے، روشنی کے منبع کی لکیر کی چوڑائی 100 Hz سے کم ہے۔ اس کے علاوہ، دیگر ایپلی کیشنز کی ترقی نے بھی روشنی کے منبع کی لائن وِڈتھ کے لیے اعلیٰ تقاضے پیش کیے ہیں۔ مثال کے طور پر، آپٹیکل فائبر ہائیڈرو فون سسٹم میں، روشنی کے منبع کی لائن وِڈتھ سسٹم کے شور کا تعین کرتی ہے اور سسٹم کے کم از کم قابل پیمائش سگنل کا بھی تعین کرتی ہے۔ Brillouin آپٹیکل ٹائم ڈومین ریفلیکٹر (BOTDR) میں، درجہ حرارت اور تناؤ کی پیمائش کی ریزولوشن بنیادی طور پر روشنی کے منبع کی لکیر کی چوڑائی سے طے کی جاتی ہے۔ ریزونیٹر فائبر آپٹک گائرو میں، روشنی کے منبع کی لکیر کی چوڑائی کو کم کر کے روشنی کی لہر کی ہم آہنگی کی لمبائی میں اضافہ کیا جا سکتا ہے، اس طرح ریزونیٹر کی خوبصورتی اور گونج کی گہرائی کو بہتر بنایا جا سکتا ہے، گونجنے والے کی لائن کی چوڑائی کو کم کیا جا سکتا ہے، اور پیمائش کو یقینی بنایا جا سکتا ہے۔ فائبر آپٹک گائرو کی درستگی۔

1.2 سویپ لیزر ذرائع کے لیے تقاضے

سنگل ویو لینتھ سویپ لیزر میں لچکدار طول موج ٹیوننگ کارکردگی ہے، متعدد آؤٹ پٹ فکسڈ ویو لینتھ لیزرز کو تبدیل کر سکتا ہے، سسٹم کی تعمیر کی لاگت کو کم کر سکتا ہے، آپٹیکل فائبر سینسنگ سسٹم کا ایک ناگزیر حصہ ہے۔ مثال کے طور پر، ٹریس گیس فائبر سینسنگ میں، مختلف قسم کی گیسوں میں گیس جذب کرنے کی چوٹیاں مختلف ہوتی ہیں۔ روشنی جذب کرنے کی کارکردگی کو یقینی بنانے کے لیے جب پیمائش گیس کافی ہو اور پیمائش کی اعلیٰ حساسیت حاصل کر لے، یہ ضروری ہے کہ ٹرانسمیشن لائٹ ماخذ کی طول موج کو گیس کے مالیکیول کے جذب کی چوٹی کے ساتھ سیدھ میں لایا جائے۔ گیس کی قسم جس کا پتہ لگایا جاسکتا ہے بنیادی طور پر سینسنگ لائٹ سورس کی طول موج سے طے ہوتا ہے۔ لہذا، مستحکم براڈ بینڈ ٹیوننگ کارکردگی کے ساتھ تنگ لائن وڈتھ لیزرز اس طرح کے سینسنگ سسٹمز میں زیادہ پیمائش کی لچک رکھتے ہیں۔ مثال کے طور پر، آپٹیکل فریکوئنسی ڈومین ریفلیکشن پر مبنی کچھ تقسیم شدہ آپٹیکل فائبر سینسنگ سسٹمز میں، لیزر کو وقتاً فوقتاً تیز رفتاری سے صاف کرنے کی ضرورت ہوتی ہے تاکہ آپٹیکل سگنلز کی اعلیٰ درستگی سے ہم آہنگ کھوج اور ڈیموڈولیشن حاصل کی جا سکے، لہذا لیزر سورس کی ماڈیولیشن کی شرح نسبتاً زیادہ ہے۔ ، اور ایڈجسٹ لیزر کی جھاڑو کی رفتار کو عام طور پر 10 pm/μs تک پہنچنے کی ضرورت ہوتی ہے۔ اس کے علاوہ، ویو لینتھ ٹیون ایبل تنگ لائن وڈتھ لیزر کو liDAR، لیزر ریموٹ سینسنگ اور ہائی ریزولوشن سپیکٹرل تجزیہ اور دیگر سینسنگ فیلڈز میں بھی وسیع پیمانے پر استعمال کیا جا سکتا ہے۔ فائبر سینسنگ کے میدان میں ٹیوننگ بینڈوڈتھ، ٹیوننگ درستگی اور سنگل ویو لینتھ لیزرز کی ٹیوننگ اسپیڈ کے اعلیٰ کارکردگی کے پیرامیٹرز کی ضروریات کو پورا کرنے کے لیے، حالیہ برسوں میں ٹیون ایبل تنگ چوڑائی والے فائبر لیزرز کا مطالعہ کرنے کا مجموعی ہدف اعلیٰ سطح کا حصول ہے۔ انتہائی تنگ لیزر لائن وِتھ، الٹرا لو فیز شور، اور الٹرا سٹیبل آؤٹ پٹ فریکوئنسی اور پاور کی پیروی کی بنیاد پر ایک بڑی طول موج کی رینج میں درستگی۔

1.3 سفید لیزر لائٹ سورس کا مطالبہ

آپٹیکل سینسنگ کے میدان میں، نظام کی کارکردگی کو بہتر بنانے کے لیے اعلیٰ معیار کی سفید روشنی کا لیزر بہت اہمیت کا حامل ہے۔ وائٹ لائٹ لیزر کا اسپیکٹرم کوریج جتنا وسیع ہوگا، آپٹیکل فائبر سینسنگ سسٹم میں اس کا اطلاق اتنا ہی وسیع ہوگا۔ مثال کے طور پر، جب ایک سینسر نیٹ ورک کی تعمیر کے لیے فائبر بریگ گریٹنگ (FBG) کا استعمال کرتے ہیں، تو اسپیکٹرل تجزیہ یا ٹیون ایبل فلٹر میچنگ کا طریقہ ڈیموڈولیشن کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ سابقہ ​​​​نے نیٹ ورک میں ہر FBG گونج والی طول موج کو براہ راست جانچنے کے لئے ایک سپیکٹرو میٹر کا استعمال کیا۔ مؤخر الذکر سینسنگ میں FBG کو ٹریک کرنے اور کیلیبریٹ کرنے کے لیے ایک ریفرنس فلٹر کا استعمال کرتا ہے، ان دونوں میں FBG کے لیے ٹیسٹ لائٹ سورس کے طور پر براڈ بینڈ لائٹ سورس کی ضرورت ہوتی ہے۔ چونکہ ہر FBG تک رسائی والے نیٹ ورک میں ایک مخصوص اندراج کا نقصان ہوگا، اور اس کی بینڈوتھ 0.1 nm سے زیادہ ہے، اس لیے متعدد FBG کے بیک وقت ڈیموڈولیشن کے لیے اعلی طاقت اور اعلی بینڈوتھ کے ساتھ براڈ بینڈ لائٹ سورس کی ضرورت ہوتی ہے۔ مثال کے طور پر، سینسنگ کے لیے طویل مدتی فائبر گریٹنگ (LPFG) کا استعمال کرتے وقت، چونکہ ایک نقصان کی چوٹی کی بینڈوتھ 10 nm کی ترتیب میں ہوتی ہے، اس لیے مناسب بینڈوتھ اور نسبتاً فلیٹ سپیکٹرم کے ساتھ ایک وسیع اسپیکٹرم لائٹ سورس کی ضرورت ہوتی ہے تاکہ اس کی گونج کو درست طریقے سے نمایاں کیا جا سکے۔ چوٹی کی خصوصیات. خاص طور پر، ایکوسٹک فائبر گریٹنگ (AIFG) اکوسٹو آپٹیکل اثر کو استعمال کرتے ہوئے برقی ٹیوننگ کے ذریعے 1000 nm تک گونجنے والی طول موج کی ٹیوننگ رینج حاصل کر سکتی ہے۔ لہٰذا، اس طرح کے الٹرا وائیڈ ٹیوننگ رینج کے ساتھ ڈائنامک گریٹنگ ٹیسٹنگ وسیع اسپیکٹرم لائٹ سورس کی بینڈوتھ رینج کے لیے ایک بہت بڑا چیلنج ہے۔ اسی طرح، حالیہ برسوں میں، جھکا ہوا بریگ فائبر گریٹنگ بھی فائبر سینسنگ کے میدان میں بڑے پیمانے پر استعمال کیا گیا ہے۔ اس کی کثیر چوٹی نقصان سپیکٹرم خصوصیات کی وجہ سے، طول موج کی تقسیم کی حد عام طور پر 40 nm تک پہنچ سکتی ہے۔ اس کا سینسنگ میکانزم عام طور پر ایک سے زیادہ ٹرانسمیشن چوٹیوں کے درمیان رشتہ دار حرکت کا موازنہ کرنا ہوتا ہے، لہذا اس کے ٹرانسمیشن سپیکٹرم کی مکمل پیمائش کرنا ضروری ہے۔ وسیع اسپیکٹرم لائٹ سورس کی بینڈوتھ اور طاقت زیادہ ہونے کی ضرورت ہے۔

2. اندرون و بیرون ملک تحقیق کی حیثیت

2.1 تنگ لائن وڈتھ لیزر لائٹ سورس

2.1.1 تنگ لائن وڈتھ سیمی کنڈکٹر تقسیم شدہ فیڈ بیک لیزر

2006 میں، Cliche et al. سیمی کنڈکٹر کے میگاہرٹز پیمانے کو کم کر دیاڈی ایف بی لیزر(تقسیم فیڈ بیک لیزر) برقی فیڈ بیک طریقہ استعمال کرتے ہوئے کلو ہرٹز پیمانے پر؛ 2011 میں کیسلر وغیرہ۔ 40 میگاہرٹز کی انتہائی تنگ لائن وڈتھ لیزر آؤٹ پٹ حاصل کرنے کے لیے فعال فیڈ بیک کنٹرول کے ساتھ مل کر کم درجہ حرارت اور اعلی استحکام واحد کرسٹل کیویٹی کا استعمال کیا گیا ہے۔ 2013 میں، Peng et al نے بیرونی Fabry-Perot (FP) فیڈ بیک ایڈجسٹمنٹ کا طریقہ استعمال کرکے 15 kHz کی لائن وِڈتھ کے ساتھ ایک سیمی کنڈکٹر لیزر آؤٹ پٹ حاصل کیا۔ الیکٹریکل فیڈ بیک کا طریقہ بنیادی طور پر Pond-Drever-Hall فریکوئنسی اسٹیبلائزیشن فیڈ بیک کا استعمال کرتا ہے تاکہ روشنی کے منبع کی لیزر لائن وڈتھ کو کم کیا جا سکے۔ 2010 میں، Bernhardi et al. تقریباً 1.7 کلو ہرٹز کی لائن چوڑائی کے ساتھ لیزر آؤٹ پٹ حاصل کرنے کے لیے سلکان آکسائیڈ سبسٹریٹ پر 1 سینٹی میٹر ایربیم ڈوپڈ ایلومینا ایف بی جی تیار کیا۔ اسی سال، لیانگ وغیرہ۔ سیمی کنڈکٹر لیزر لائن چوڑائی کے کمپریشن کے لیے ہائی-کیو ایکو وال ریزونیٹر کے ذریعے بنائے گئے بیک ورڈ ریلے سکیٹرنگ کے سیلف انجیکشن فیڈ بیک کا استعمال کیا، جیسا کہ شکل 1 میں دکھایا گیا ہے، اور آخر میں 160 Hz کی ایک تنگ لائن چوڑائی لیزر آؤٹ پٹ حاصل کی۔

تصویر 1 (a) سیمی کنڈکٹر لیزر لائن وڈتھ کمپریشن کا خاکہ جس کی بنیاد پر سیلف انجیکشن Rayleigh Scattering of external whispering Gallery mode resonator؛
(b) 8 میگاہرٹز کی لائن وِتھ کے ساتھ فری رننگ سیمی کنڈکٹر لیزر کا فریکوئینسی سپیکٹرم؛
(c) لیزر کا فریکوئنسی سپیکٹرم جس کی لکیر کی چوڑائی 160 ہرٹج تک سکیڑ گئی ہے
2.1.2 تنگ لائن وڈتھ فائبر لیزر

لکیری کیویٹی فائبر لیزرز کے لیے، سنگل طول بلد موڈ کی تنگ لکیر کی چوڑائی لیزر آؤٹ پٹ ریزونیٹر کی لمبائی کو مختصر کرکے اور طول بلد موڈ وقفہ کو بڑھا کر حاصل کی جاتی ہے۔ 2004 میں، Spiegelberg et al. DBR مختصر گہا کا طریقہ استعمال کرکے 2 kHz کی لائن وڈتھ کے ساتھ ایک واحد طول بلد موڈ تنگ لائن وڈتھ لیزر آؤٹ پٹ حاصل کیا۔ 2007 میں، Shen et al. ایک Bi-Ge co-doped photosensitive fiber پر FBG لکھنے کے لیے 2 سینٹی میٹر بھاری ایربیم ڈوپڈ سلکان فائبر کا استعمال کیا، اور ایک کومپیکٹ لکیری گہا بنانے کے لیے اسے ایک فعال فائبر کے ساتھ ملایا، جس سے اس کی لیزر آؤٹ پٹ لائن کی چوڑائی 1 kHz سے کم ہوگئی۔ 2010 میں، یانگ وغیرہ۔ 2 کلو ہرٹز سے کم لائن کی چوڑائی کے ساتھ واحد طول بلد موڈ لیزر آؤٹ پٹ حاصل کرنے کے لیے ایک 2 سینٹی میٹر انتہائی ڈوپڈ مختصر لکیری گہا کا استعمال ایک تنگ بینڈ FBG فلٹر کے ساتھ کیا۔ 2014 میں، ٹیم نے ایک مختصر لکیری گہا (ورچوئل فولڈ رِنگ ریزونیٹر) کو FBG-FP فلٹر کے ساتھ ملا کر ایک تنگ لکیر کی چوڑائی کے ساتھ لیزر آؤٹ پٹ حاصل کیا، جیسا کہ شکل 3 میں دکھایا گیا ہے۔ 2012 میں، Cai et al. 114 میگاواٹ سے زیادہ آؤٹ پٹ پاور، 1540.3 nm کی مرکزی طول موج، اور 4.1 kHz کی لائن کی چوڑائی کے ساتھ پولرائزنگ لیزر آؤٹ پٹ حاصل کرنے کے لیے 1.4cm مختصر گہا کا ڈھانچہ استعمال کیا۔ 2013 میں، Meng et al. 10 میگاواٹ کی آؤٹ پٹ پاور کے ساتھ ایک واحد طول بلد موڈ، کم فیز شور والی لیزر آؤٹ پٹ حاصل کرنے کے لیے فل بائیس پرزورنگ ڈیوائس کی مختصر انگوٹھی کیویٹی کے ساتھ ایربیم ڈوپڈ فائبر کی برلوئن سکیٹرنگ کا استعمال کیا گیا۔ 2015 میں، ٹیم نے 45 سینٹی میٹر ایربیئم ڈوپڈ فائبر پر مشتمل ایک انگوٹھی کیویٹی کا استعمال کیا جس میں بریلوئن سکیٹرنگ گین میڈیم کم تھریشولڈ اور تنگ لائن وڈتھ لیزر آؤٹ پٹ حاصل کیا گیا۔

تصویر 2 (a) SLC فائبر لیزر کی اسکیمیٹک ڈرائنگ؛
(b) ہیٹروڈائن سگنل کی لائن شیپ 97.6 کلومیٹر فائبر تاخیر کے ساتھ ماپا گیا