一文读懂光纤传感器的主要元器件之一——光源

光纤传感器所用的光源种类繁多,从白炽光源到激光器的各种光源都采用。

     光纤传感器所用的光源种类繁多,从白炽光源到激光器的各种光源都采用。今天,我们不讨论各种光源的结构及其工作原理,只讨论光纤传感器常用光源的性能,并指出选用光源的基本原则。

光纤传感器的主要元器件光源及其选用原则

  1.白炽光源

  这类光源通常为钨丝灯泡,其辐射近似地为黑体辑射。由斯忒藩-玻尔兹曼定律可知,在2000 W时,其等效辐射度约为6 W/(sr•cm2),但因其覆盖波长范围很宽,实际在可见光到红外波段上,其辐射度约0.1 W/(sr•cm2)。白炽灯源的优点是价廉、容易获得、使用方便。白炽光源可用作某些传感器的光源,但因其辐射度小,故只能与光纤束和粗芯阶跃光纤配合使用。其缺点是稳定性较差,寿命短(通常只有几百小时)。

  2.气体激光器

  常见的气体激光器有:氦氖激光器、二氧化碳激光器和氩离子激光器等。这里只讨论氮氖激光器,其他的很少应用。

  氦氖激光器的工作物质是氖,辅助物质是氮,有三个主要输出波长:0.63 μm,1.15 μm和3.39 μm,是一种价廉、低功率(0.1〜100  mW)的高相干光源。除了相干性高外,氮氖激光器还具有下述优点:

  ①容易实现单模工作,而且线宽非常窄,可低到1 kHz,这对于干涉型传感器来说更为可贵。

  ②辐射度很高,与单模光纤耦合效率高。例如,直径为1 mm的圆面积氦氖激光器产生输出功率的典型值为1 mW,其发散角约为1 mrad,因此其相应的单横模辐射度约为108 W/(sr•cm2),能髙效率地耦合进单模光纤。

  ③噪声小,除了激光腔内的等离子谐振频率外,氦氖激光器在其余频带内是相当平静的,噪声电平非常接近闪烁噪声。

  3.固体激光器

  为了区别于半导体激光器,所以有人把它称为晶体激光器,主要包括红宝石激光器、掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器和钦玻璃激光器等。红宝石激光器已很少用,现在所说的固体激光器主要指固态钕离子激光器等。这类激光器的优点是体积小巧、坚固耐用、高功率、高辐射密度(例如,Nd:YAG激光器的最小额定连续波输出功率为100 mW,也可高达几十瓦,相应的辐射度达109 W/(sr•cm2),辐射波长为1.06-1.35 μm),发射光谱均匀且窄,并且容许单模工作等。其缺点是相干性和频率稳定性都不如气体激光器。

  4.半导体激光器

  半导体激光器是光纤传感器最重要的光源,因为它具有体积小巧、坚固耐用、寿命长(106~107h)、可靠性高、辖射度适中、电源简单等优点。这类光源有非相干辐射的发光二极管(LED)和相干辐射的半导体激光二极管(LD)等。

  1)发光二极管

  发光二极管又分为表面出光、端面出光和超辐射三种。它们的共同特点是辐射光的相干长度只有几微米,输出随正向偏置电流的变化接近于线性;可直接进行辐射调制(调制速率表面出光LED可达几MHz,端面出光LED超过100 MHz)。

  表面出光LED是多模光纤系统的良好光源,但由于它的辐射在很大的立体角(2π)内,与光纤的耦合率很低(例如,它与通信用多模光纤的耦合率低于10%)。因此,它不适用于干涉型光纤传感器或其他单模光纤系统中。

  端面出光LED有很高的空间相干性,而无时间相干性。其产生的总功率稍低于表面出光LED,但其辐射度却远大于表面出光(约两个数量级)。因此,它有更多的有用功率耦合进多模或单模光纤中。

  超辐射LED是一种细长条形结构的端面出光LED。它提高了端面出光LED的输出功率;有较好的定向输出光;减小了光谱宽度,但需要较大的激励电流。

  2)半导体激光二极管

  实际上,LD是具有谐振腔、异质结构的LED,能在大电流密度激励下产生激光。辐射功率大都为10 mW左右,但由于其方向性相当强,故辐射度高达108 W/(sr•cm2),工作波长在850〜900 nm,平均寿命可超过106 h。这是一种通用的高功率密度光源。

  3)传感器用光源的选择准则

  光纤传感器对光源的基本要求是相同的,即必须使具有适当特性的、功率足够大的光到达检测器,以确保检测系统有足够大的信噪比。因此,我们选择光源时,应当遵循下述原则:

  ①根据系统要求,选择辐射强度足够大的光源,而且要求在敏感元件的工作波长上有最大的辐射功率;

  ②光源必须与光纤相匹配,以便获得最好的耦合效率。

  ③光源的稳定性要好,能长期在室温下工作。

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