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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) 時間:2011-10-30 11:06 閱讀:4378 [投稿]
    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(yù)測和展望。
    (4)半導體激光二極管 
    半導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。半導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)和光反饋兩個要求。其使用的方法是向P型和N型限制層重摻雜,使費米能級間隔在PN結(jié)正向偏置下超過帶隙實現(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。 
    半導體激光二極管的發(fā)光特性如圖3所示。在實際應(yīng)用中必須對激光二極管提出兩個要求,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。
    半導體激光二極管效率高、體積小,波長范圍較寬,價格低,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,用這種方式實現(xiàn)的光推動溫度、壓力等傳感系統(tǒng)已經(jīng)實用化了。半導體激光二極管最致命的弱點在于工作一定時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,最終導致激光管不能使用。這個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,普通半導體激光的單色性和方向性要比氣體激光器的差,這一點在選用時也是值得注意的,人們也一直在試用各種方法進行改進,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)點在于容易使低泵浦實現(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。特別是用作光纖時域發(fā)射(OTDR)測量的強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體襯底表面的方向射出的半導體激光器(如圖6)。因為在襯底上面并列排列多個激光器,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體激光器而引人注目。這種半導體激光器件可利用半導體工藝技術(shù)制成集成電路,即進行單片集成化,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年的時間,通過不斷的研究開發(fā),其性能已經(jīng)凌駕于其它半導體激光器之上,但其大規(guī)模實用化還是目前通信領(lǐng)域的一個大課題,人們的目標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,其在光纖傳感方面的應(yīng)用也是一個非常值得研究的課題。面發(fā)射激光器具有眾多優(yōu)點,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行小面積內(nèi)同時多點測量得以實現(xiàn);層疊式集成可以使一個龐大的傳感器系統(tǒng)微小化變?yōu)榭赡。因此,筆者認為對于此種光源性能的進一步提高和其在光纖傳感領(lǐng)域的實用化值得期待。
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