光纖傳感器中光源的選用及比較
在光纖傳感器的設(shè)計中,光源的選擇至關(guān)重要,本文對幾種常用光源的基本發(fā)光機理進行了描述,對其主要特性、適用場合等進行了分析和比較,介紹了幾種新型的激光器,并對光纖傳感器用光源下一步的發(fā)展做出了預測和展望。
發(fā)光二極管具有可靠性較高,室溫下連續(xù)工作時間長、光功率-電流線性度好等顯著優(yōu)點,而且由于此項技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得比較成熟,所以其價格非常便宜。因此在一些簡易的光纖傳感器的設(shè)計中,如果LED能夠勝任,選用它作為光源即可大大降低整個傳感器的成本。然而LED的發(fā)光機理決定了它存在著很多的不足,如輸出功率小、發(fā)射角大、譜線寬、響應速度低等。因此,在一些需要功率高、調(diào)制速率快、單色性好的光源的傳感器設(shè)計中,就不得不以提高成本為代價,選用其它更高性能的光源。
2、相干光源 激光器要工作必須具備三個基本條件,即激光物質(zhì)、光諧振器和泵浦源,其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。 激光器發(fā)光原理是:通過泵浦源將能量輸入激光物質(zhì),使其實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),由自發(fā)輻射產(chǎn)生的微弱的光在激光物質(zhì)中得以放大,由于激光物質(zhì)兩端放置了反射鏡,有一部分符合條件的光就能夠反饋回來再 參加激勵,這時被激勵的光就產(chǎn)生振蕩,經(jīng)過多次激勵,從右端反射鏡中投射出來的光就是單色性、方向性、相干性都很好的高亮度的激光。不同類型的激光器在發(fā)光物質(zhì)、反射鏡以及泵浦源等方面所用材料有所區(qū)別,下文提到的各種激光器也正是基于這些不同進行分類的。 (1)固體激光器 固體激光器即激光物質(zhì)為固體的激光器。早在1960年,梅曼(Maiman)研制的世界上的第一臺激光器—紅寶石激光器(Cr3+:Al2O3)就是一種典型的固體激光器。隨后摻釹(Nd3+)離子的釔鋁石榴石(Nd:YAG)激光器,摻釹(Nd3+)離子的玻璃激光器,摻鈦(Ti3+)離子的藍寶石激光器都相繼出現(xiàn)。固體激光器具有輸出能量大、峰值功率高、器件結(jié)構(gòu)緊湊、便于光纖耦合、使用壽命長和單元技術(shù)成熟等優(yōu)點,而且它的體積也較氣體激光器要小,價格也比較適中。正由于這些優(yōu)點,固體激光器在光纖傳感領(lǐng)域有一定的應用,可以用于測量吸收光譜,如測量由污染物產(chǎn)生的瑞利、喇曼散射光譜;可用于超長距離的測量,如月球到地球的距離。另外紅寶石本身在光纖傳感器領(lǐng)域也是很有用武之地的,比如可利用其熒光熱效應來測量環(huán)境溫度等。固體激光器的主要缺陷在于常用惰性氣體放電燈泵浦效率低,熱效應嚴重,限制了輸出功率的進一步提高和光束質(zhì)量的改善。 (2)液體激光器 激光工作物質(zhì)是液體的激光器稱為液體激光器。其具有獨特的輸出特性:輸出激光譜線寬、光束發(fā)散角小、,激光輸出波長可移動(可調(diào)諧),某兩種液體混合可以產(chǎn)生輸出新波長的液體,激活離子密度大,增益系數(shù)高和可得到較高輸出功率等等。另外,價格便宜、能量轉(zhuǎn)換效率高、光學均勻性好、冷卻方便也是其優(yōu)點。但是液態(tài)激光器本身用起來極為不方便,需要困難的手工操作和閉環(huán)泵浦以避免熱效應使激光器的特性遭到破壞,而且可以致癌,因此液體激光器在光纖傳感領(lǐng)域很少使用。 (3)氣體激光器 氣體激光器是以氣體或金屬蒸氣作為主要工作物質(zhì)的激光器。這是一種非常重要的激光器,在光纖傳感領(lǐng)域也具有非常廣泛的應用。其最大的特點就是可以產(chǎn)生很高的連續(xù)功率。對于大多數(shù)氣體激光器來說,由于氣體的吸收譜線很窄,因此不采用光泵浦激勵,而采用電激勵,這一點就非常適合在光纖傳感器中使用。在傳感領(lǐng)域,我們常用的氣體激光器有氦氖激光器、氬離子激光器、二氧化碳激光器以及氦分子激光器。其中最有價值的是二氧化碳激光器,它工作在遠紅外區(qū),具有高效性,可在脈沖工作方式下產(chǎn)生幾千瓦的功率,在連續(xù)工作時,可產(chǎn)生幾瓦的功率,這種連續(xù)大功率的提供是其它類型激光器難以達到的。另外很值得一提的是,分布式光纖傳感器作為光纖傳感器很重要的一個分支,被廣泛的應用于許多大型的溫度場、應力場的測量當中,以實現(xiàn)實時的、空間連續(xù)的測量[3]。對于這種傳感器,由于傳輸距離較長,而且必須保證返回的光信息能夠達到探測的量級,因此在光源方面就必須提供足夠大的光功率,所以它一般選用氣體激光器,其中氬離子激光器就是一種非常好的選擇。 |

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