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  • 光纖傳感器中光源的選用及比較

    作者:佚名 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 時(shí)間:2011-10-30 11:06 閱讀:4395 [投稿]
    在光纖傳感器的設(shè)計(jì)中,光源的選擇至關(guān)重要,本文對(duì)幾種常用光源的基本發(fā)光機(jī)理進(jìn)行了描述,對(duì)其主要特性、適用場(chǎng)合等進(jìn)行了分析和比較,介紹了幾種新型的激光器,并對(duì)光纖傳感器用光源下一步的發(fā)展做出了預(yù)測(cè)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(shí)間長(zhǎng)、光功率-電流線性度好等顯著優(yōu)點(diǎn),而且由于此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得比較成熟,所以其價(jià)格非常便宜。因此在一些簡(jiǎn)易的光纖傳感器的設(shè)計(jì)中,如果LED能夠勝任,選用它作為光源即可大大降低整個(gè)傳感器的成本。然而LED的發(fā)光機(jī)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(yīng)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(jì)中,就不得不以提高成本為代價(jià),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(gè)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(shí)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(lái)再  參加激勵(lì),這時(shí)被激勵(lì)的光就產(chǎn)生振蕩,經(jīng)過多次激勵(lì),從右端反射鏡中投射出來(lái)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(jìn)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(tái)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(lán)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(zhǎng)和單元技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn),而且它的體積也較氣體激光器要小,價(jià)格也比較適中。正由于這些優(yōu)點(diǎn),固體激光器在光纖傳感領(lǐng)域有一定的應(yīng)用,可以用于測(cè)量吸收光譜,如測(cè)量由污染物產(chǎn)生的瑞利、喇曼散射光譜;可用于超長(zhǎng)距離的測(cè)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(yīng)來(lái)測(cè)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(yīng)嚴(yán)重,限制了輸出功率的進(jìn)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(dú)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(zhǎng)可移動(dòng)(可調(diào)諧),某兩種液體混合可以產(chǎn)生輸出新波長(zhǎng)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(jià)格便宜、能量轉(zhuǎn)換效率高、光學(xué)均勻性好、冷卻方便也是其優(yōu)點(diǎn)。但是液態(tài)激光器本身用起來(lái)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(yīng)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(yīng)用。其最大的特點(diǎn)就是可以產(chǎn)生很高的連續(xù)功率。對(duì)于大多數(shù)氣體激光器來(lái)說(shuō),由于氣體的吸收譜線很窄,因此不采用光泵浦激勵(lì),而采用電激勵(lì),這一點(diǎn)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(jià)值的是二氧化碳激光器,它工作在遠(yuǎn)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(shí),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(dá)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(gè)分支,被廣泛的應(yīng)用于許多大型的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的測(cè)量當(dāng)中,以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的、空間連續(xù)的測(cè)量[3]。對(duì)于這種傳感器,由于傳輸距離較長(zhǎng),而且必須保證返回的光信息能夠達(dá)到探測(cè)的量級(jí),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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