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  • 光纖傳感器中光源的選用及比較

    作者:佚名 來源:網(wǎng)絡(luò) 時(shí)間:2011-10-30 11:06 閱讀:4394 [投稿]
    在光纖傳感器的設(shè)計(jì)中,光源的選擇至關(guān)重要,本文對幾種常用光源的基本發(fā)光機(jī)理進(jìn)行了描述,對其主要特性、適用場合等進(jìn)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(yù)測和展望。
    (4)半導(dǎo)體激光二極管 
    半導(dǎo)體激光二極管是在光纖傳感系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛的一種光源,其發(fā)光原理與上文中討論的發(fā)光二極管的原理沒有太大的差別,只是輸出光由非相干光變?yōu)榱讼喔晒。半?dǎo)體激光二極管作為激光器的一種,同樣也必須滿足有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和光反饋兩個(gè)要求。其使用的方法是向P型和N型限制層重?fù)诫s,使費(fèi)米能級間隔在PN結(jié)正向偏置下超過帶隙實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。再利用與PN結(jié)平面相垂直的自然解理面(圖2中A B)構(gòu)成F-P腔。 
    半導(dǎo)體激光二極管的發(fā)光特性如圖3所示。在實(shí)際應(yīng)用中必須對激光二極管提出兩個(gè)要求,一是較低的門限電流,二是穩(wěn)定的P-I曲線。我們用異質(zhì)結(jié)來代替同質(zhì)結(jié)就可以將門限電流降低兩個(gè)數(shù)量級,而對于穩(wěn)定性問題目前只有通過外加恒溫和光反饋等來加以改善。
    半導(dǎo)體激光二極管效率高、體積小,波長范圍較寬,價(jià)格低,在光纖傳感中使用非常方便,特別是在光纖混合傳感器中,經(jīng)常采用較大功率的激光二極管作為光源,通過光電轉(zhuǎn)換后給傳感器探頭提供電功率。目前,用這種方式實(shí)現(xiàn)的光推動溫度、壓力等傳感系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)用化了。半導(dǎo)體激光二極管最致命的弱點(diǎn)在于工作一定時(shí)間后其性能將逐漸退化,有些特性將變質(zhì),而且這些變化是不可逆轉(zhuǎn)的,最終導(dǎo)致激光管不能使用。這個(gè)缺陷在很大程度上影響了其在一些必須長期使用、不便更換的光纖傳感器中的使用。另外,普通半導(dǎo)體激光的單色性和方向性要比氣體激光器的差,這一點(diǎn)在選用時(shí)也是值得注意的,人們也一直在試用各種方法進(jìn)行改進(jìn),如利用分布反饋或量子阱結(jié)構(gòu)等技術(shù)。 
    (5)光纖激光器 
    光纖激光器實(shí)際上也屬于固體激光器,只是將激光物質(zhì)換為了稀土離子摻雜光纖,根據(jù)摻雜離子的不同以及兩端起反射鏡功能機(jī)理的不同可以分為摻稀土光纖激光器(如圖4)、光纖光柵激光器(如圖5)、非線性效應(yīng)光纖激光器、單晶光纖激光器、塑料光氣激光器、光孤子激光器等。 
    光纖激光器主要優(yōu)點(diǎn)在于容易使低泵浦實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作;其閾值低,增益高,熱效應(yīng)低;利用定向耦合和Bragg反射,可制作窄線寬、可調(diào)諧光纖激光器;能很好地與光纖耦合,與現(xiàn)有的光纖器件完全兼容,能進(jìn)行全光纖測試,可傳輸系統(tǒng)光源,這在任何光系統(tǒng)、光器件的設(shè)計(jì)中都是及其珍貴也及其重要的。因此,光纖激光器在下一代的光纖傳感器中的應(yīng)用具有非常好的前景。特別是用作光纖時(shí)域發(fā)射(OTDR)測量的強(qiáng)光源以及光纖陀螺的寬帶發(fā)射源。 
    三、幾種新型的光源 
    1、 面發(fā)射激光器 
    面發(fā)射激光器是一種光從垂直于半導(dǎo)體襯底表面的方向射出的半導(dǎo)體激光器(如圖6)。因?yàn)樵谝r底上面并列排列多個(gè)激光器,所以作為以在并行光信息處理及光互聯(lián)等新的光電子領(lǐng)域中應(yīng)用為目的的新型半導(dǎo)體激光器而引人注目。這種半導(dǎo)體激光器件可利用半導(dǎo)體工藝技術(shù)制成集成電路,即進(jìn)行單片集成化,具有能夠二維并列集成化的特征。 
    這種激光器的提出到現(xiàn)在不到30年的時(shí)間,通過不斷的研究開發(fā),其性能已經(jīng)凌駕于其它半導(dǎo)體激光器之上,但其大規(guī)模實(shí)用化還是目前通信領(lǐng)域的一個(gè)大課題,人們的目標(biāo)基本上都集中于將其融合到大規(guī)模光通信網(wǎng)、光互聯(lián)、光信息處理等超并行光電子技術(shù)等方面。其實(shí),其在光纖傳感方面的應(yīng)用也是一個(gè)非常值得研究的課題。面發(fā)射激光器具有眾多優(yōu)點(diǎn),如體積小、門限電流低且對溫度不敏感、壽命長、電光效應(yīng)高、響應(yīng)速度快、與光纖結(jié)合容易、可大規(guī)模生產(chǎn)、可做成密集排列的二維激光陣列、可應(yīng)用到層疊光集成電路上等。密集排列二維激光陣列可以使利用光纖傳感進(jìn)行小面積內(nèi)同時(shí)多點(diǎn)測量得以實(shí)現(xiàn);層疊式集成可以使一個(gè)龐大的傳感器系統(tǒng)微小化變?yōu)榭赡堋R虼,筆者認(rèn)為對于此種光源性能的進(jìn)一步提高和其在光纖傳感領(lǐng)域的實(shí)用化值得期待。
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