光纖傳感器選用光源的基本原則

　　光纖傳感器所用的光源種類繁多，從白熾光源到激光器的各種光源都采用。今天，我們不討論各種光源的結構及其工作原理，只討論光纖傳感器常用光源的性能，并指出選用光源的基本原則。

　　1.白熾光源

　　這類光源通常為鎢絲燈泡，其輻射近似地為黑體輯射。由斯忒藩-玻爾茲曼定律可知，在2000 W時，其等效輻射度約為6 W/(sr•cm2)，但因其覆蓋波長范圍很寬，實際在可見光到紅外波段上，其輻射度約0.1 W/(sr•cm2)。白熾燈源的優點是價廉、容易獲得、使用方便。白熾光源可用作某些傳感器的光源，但因其輻射度小，故只能與光纖束和粗芯階躍光纖配合使用。其缺點是穩定性較差，壽命短(通常只有幾百小時)。

　　2.氣體激光器

　　常見的氣體激光器有：氦氖激光器、二氧化碳激光器和氬離子激光器等。這里只討論氮氖激光器，其他的很少應用。

　　氦氖激光器的工作物質是氖，輔助物質是氮，有三個主要輸出波長：0.63 μm，1.15 μm和3.39 μm，是一種價廉、低功率(0.1〜100 mW)的高相干光源。除了相干性高外，氮氖激光器還具有下述優點：

　　①容易實現單模工作，而且線寬非常窄，可低到1 kHz，這對于干涉型傳感器來說更為可貴。

　　②輻射度很高，與單模光纖耦合效率高。例如，直徑為1 mm的圓面積氦氖激光器產生輸出功率的典型值為1 mW，其發散角約為1 mrad，因此其相應的單橫模輻射度約為108 W/(sr•cm2)，能髙效率地耦合進單模光纖。

　　③噪聲小，除了激光腔內的等離子諧振頻率外，氦氖激光器在其余頻帶內是相當平靜的，噪聲電平非常接近閃爍噪聲。

　　3.固體激光器

　　為了區別于半導體激光器，所以有人把它稱為晶體激光器，主要包括紅寶石激光器、摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)激光器和欽玻璃激光器等。紅寶石激光器已很少用，現在所說的固體激光器主要指固態釹離子激光器等。這類激光器的優點是體積小巧、堅固耐用、高功率、高輻射密度(例如，Nd:YAG激光器的最小額定連續波輸出功率為100 mW，也可高達幾十瓦，相應的輻射度達109 W/(sr•cm2)，輻射波長為1.06-1.35 μm),發射光譜均勻且窄，并且容許單模工作等。其缺點是相干性和頻率穩定性都不如氣體激光器。

　　4.半導體激光器

　　半導體激光器是光纖傳感器最重要的光源，因為它具有體積小巧、堅固耐用、壽命長(106~107h)、可靠性高、轄射度適中、電源簡單等優點。這類光源有非相干輻射的發光二極管(LED)和相干輻射的半導體激光二極管(LD)等。

　　1)發光二極管

　　發光二極管又分為表面出光、端面出光和超輻射三種。它們的共同特點是輻射光的相干長度只有幾微米，輸出隨正向偏置電流的變化接近于線性;可直接進行輻射調制(調制速率表面出光LED可達幾MHz，端面出光LED超過100 MHz)。

　　表面出光LED是多模光纖系統的良好光源，但由于它的輻射在很大的立體角(2π)內，與光纖的耦合率很低(例如，它與通信用多模光纖的耦合率低于10%)。因此，它不適用于干涉型光纖傳感器或其他單模光纖系統中。

　　端面出光LED有很高的空間相干性，而無時間相干性。其產生的總功率稍低于表面出光LED，但其輻射度卻遠大于表面出光(約兩個數量級)。因此，它有更多的有用功率耦合進多模或單模光纖中。

　　超輻射LED是一種細長條形結構的端面出光LED。它提高了端面出光LED的輸出功率;有較好的定向輸出光;減小了光譜寬度，但需要較大的激勵電流。

　　2)半導體激光二極管

　　實際上，LD是具有諧振腔、異質結構的LED，能在大電流密度激勵下產生激光。輻射功率大都為10 mW左右，但由于其方向性相當強，故輻射度高達108 W/(sr•cm2)，工作波長在850〜900 nm，平均壽命可超過106 h。這是一種通用的高功率密度光源。

　　3)傳感器用光源的選擇準則

　　光纖傳感器對光源的基本要求是相同的，即必須使具有適當特性的、功率足夠大的光到達檢測器，以確保檢測系統有足夠大的信噪比。因此，我們選擇光源時，應當遵循下述原則：

　　①根據系統要求，選擇輻射強度足夠大的光源，而且要求在敏感元件的工作波長上有最大的輻射功率;

　　②光源必須與光纖相匹配，以便獲得最好的耦合效率。

　　③光源的穩定性要好，能長期在室溫下工作。