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关键词:光纤传感器;光源;面发射激光器;光子晶体激光器 中图分类号:TP212.14 文献标识码:A 一、引言 光纤传感器已经有近30年的历史了,由于其具有抗电磁干扰(EMI)、抗射频干扰(RFI)、重量轻、体积小、灵敏度高、带宽宽以及易于实现多路或分布式传感等优点,目前已经成为军事、工业、民用上不可或缺的一种传感器类型。光纤传感器所选用的光源类型在很大程度上决定了此传感器的工作模式、信号处理方法、分辨率、灵敏度及测量精度,因而选择一种合适的光源对整个光纤传感器的设计起着至关重要的作用。然而,在选择光源时,应考虑的因素很多,如光源的尺寸、输入输出功率、稳定性、相干性、光谱特性以及与光纤的耦合难易程度等,另外光源的价格也在很大程度上决定了这种光纤传感器最终是否能够实用化。本文对几种常用的光纤传感器光源的性能进行了描述,对其所适用的场合和价格问题进行了分析和比较,并介绍了几种新型的激光器,{zh1}对光纤传感器选用光源的发展趋势进行了预测和展望。 二、光纤传感器中常用光源的原理及其主要特性 1、非相干光源 (1)热光源 热光源的主要原理是由电流加热合适的材料使其产生热辐射。典型的热光源是钨灯,其优点是结构简单,使用方便且具有连续光谱。 这种热光源用在光纤传感器中时有两个非常重要的问题值得考虑:一个是光源的稳定性问题,根据经验,钨丝产生的光电流正比于灯丝电压的3~4次幂,因此为了保证提供较稳定的光功率就必须应用具有非常高稳定性的电源和电路;另一个问题是调制速率的限制,对这种光源的调制一般采用机械斩波器,但其频率通常低于1kHz,这在很多光纤传感器的应用中是远远达不到要求的。鉴于这些限制,在实际光纤传感器的设计中一般不提倡选用此种光源。 (2)气体放电光源 玻璃管密封的气体在紫外线或射线作用下,有少量分子被电离,在其内密封两个电极,当外加电压足够高时,电场作用使带电粒子动能增大到足以电离其它气体分子,气体分子吸收带电粒子能量,使电子跃迁到激发态,由于电子在激发态上是不稳定的,将在极短的时间内回到低能级态甚至基态,此时能量将以光的形式释放。 气体放电光源的发光原理就决定了其发光光谱是不连续的。这种光源有两个显著的特点—高强度和短波长,正因为此,使得其在光纤传感方面有了独特的用处。比如,用气体放电光源发出的高强度短波长的光来激发待测物质,使其发射荧光,可用来检测物质的温度、含量等。 (3)发光二极管 发光二极管(LED)是用半导体材料制作的正向偏置的PN结二极管。其发光机理是当在PN结两端注入正向电流时,注入的非平衡载流子(电子-空穴对)在扩散过程中复合发光,这种发射过程主要对应光的自发发射过程。按光输出的位置不同,发光二极管可分为面发射型和边发射型。我们最常用的LED是 InGaAsP/InP双异质结边发光二极管。 发光二极管具有可靠性较高,室温下连续工作时间长、光功率-电流线性度好等显著优点,而且由于此项技术已经发展得比较成熟,所以其价格非常便宜。因此在一些简易的光纤传感器的设计中,如果LED能够胜任,选用它作为光源即可大大降低整个传感器的成本。然而LED的发光机理决定了它存在着很多的不足,如输出功率小、发射角大、谱线宽、响应速度低等。因此,在一些需要功率高、调制速率快、单色性好的光源的传感器设计中,就不得不以提高成本为代价,选用其它更高性能的光源。 2、相干光源 激光器要工作必须具备三个基本条件,即激光物质、光谐振器和泵浦源,其基本结构如图1所示。 激光器发光原理是:通过泵浦源将能量输入激光物质,使其实现粒子数反转,由自发辐射产生的微弱的光在激光物质中得以放大,由于激光物质两端放置了反射镜,有一部分符合条件的光就能够反馈回来再 参加激励,这时被激励的光就产生振荡,经过多次激励,从右端反射镜中投射出来的光就是单色性、方向性、相干性都很好的高亮度的激光。不同类型的激光器在发光物质、反射镜以及泵浦源等方面所用材料有所区别,下文提到的各种激光器也正是基于这些不同进行分类的。 半导体激光二极管的发光特性如图3所示。在实际应用中必须对激光二极管提出两个要求,一是较低的门限电流,二是稳定的P-I曲线。我们用异质结来代替同质结就可以将门限电流降低两个数量级,而对于稳定性问题目前只有通过外加恒温和光反馈等来加以改善。 光纤激光器主要优点在于容易使低泵浦实现连续工作;其阈值低,增益高,热效应低;利用定向耦合和Bragg反射,可制作窄线宽、可调谐光纤激光器;能很好地与光纤耦合,与现有的光纤器件xx兼容,能进行全光纤测试,可传输系统光源,这在任何光系统、光器件的设计中都是及其珍贵也及其重要的。因此,光纤激光器在下一代的光纤传感器中的应用具有非常好的前景。特别是用作光纤时域发射(OTDR)测量的强光源以及光纤陀螺的宽带发射源。 这种激光器的提出到现在不到30年的时间,通过不断的研究开发,其性能已经凌驾于其它半导体激光器之上,但其大规模实用化还是目前通信领域的一个大课题,人们的目标基本上都集中于将其融合到大规模光通信网、光互联、光信息处理等超并行光电子技术等方面。其实,其在光纤传感方面的应用也是一个非常值得研究的课题。面发射激光器具有众多优点,如体积小、门限电流低且对温度不敏感、寿命长、电光效应高、响应速度快、与光纤结合容易、可大规模生产、可做成密集排列的二维激光阵列、可应用到层叠光集成电路上等。密集排列二维激光阵列可以使利用光纤传感进行小面积内同时多点测量得以实现;层叠式集成可以使一个庞大的传感器系统微小化变为可能。因此,笔者认为对于此种光源性能的进一步提高和其在光纤传感领域的实用化值得期待。 3、其它 | |
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