光纤传感器中光源的选用及比较

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摘要：在光纤传感器的设计中，光源的选择至关重要，本文对几种常用光源的基本发光机理进行了描述，对其主要特性、适用场合等进行了分析和比较，介绍了几种新型的激光器，并对光纤传感器用光源下一步的发展做出了预测和展望，本文的分析对设计光纤传感器时光源的选择具有一定的参考价值。
关键词：光纤传感器；光源；面发射激光器；光子晶体激光器
中图分类号：TP212.14文献标识码：A
一、引言
光纤传感器已经有近30年的历史了，由于其具有抗电磁干扰（EMI）、抗射频干扰（RFI）、重量轻、体积小、灵敏度高、带宽宽以及易于实现多路或分布式传感等优点，目前已经成为军事、工业、民用上不可或缺的一种传感器类型。光纤传感器所选用的光源类型在很大程度上决定了此传感器的工作模式、信号处理方法、分辨率、灵敏度及测量精度，因而选择一种合适的光源对整个光纤传感器的设计起着至关重要的作用。然而，在选择光源时，应考虑的因素很多，如光源的尺寸、输入输出功率、稳定性、相干性、光谱特性以及与光纤的耦合难易程度等，另外光源的价格也在很大程度上决定了这种光纤传感器最终是否能够实用化。本文对几种常用的光纤传感器光源的性能进行了描述，对其所适用的场合和价格问题进行了分析和比较，并介绍了几种新型的激光器，最后对光纤传感器选用光源的发展趋势进行了预测和展望。
二、光纤传感器中常用光源的原理及其主要特性
1、非相干光源
（1）热光源
热光源的主要原理是由电流加热合适的材料使其产生热辐射。典型的热光源是钨灯，其优点是结构简单，使用方便且具有连续光谱。
这种热光源用在光纤传感器中时有两个非常重要的问题值得考虑：一个是光源的稳定性问题，根据经验，钨丝产生的光电流正比于灯丝电压的3～4次幂，因此为了保证提供较稳定的光功率就必须应用具有非常高稳定性的电源和电路；另一个问题是调制速率的限制，对这种光源的调制一般采用机械斩波器，但其频率通常低于1kHz，这在很多光纤传感器的应用中是远远达不到要求的。鉴于这些限制，在实际光纤传感器的设计中一般不提倡选用此种光源。
（2）气体放电光源
玻璃管密封的气体在紫外线或射线作用下，有少量分子被电离，在其内密封两个电极，当外加电压足够高时，电场作用使带电粒子动能增大到足以电离其它气体分子，气体分子吸收带电粒子能量，使电子跃迁到激发态，由于电子在激发态上是不稳定的，将在极短的时间内回到低能级态甚至基态，此时能量将以光的形式释放。
气体放电光源的发光原理就决定了其发光光谱是不连续的。这种光源有两个显著的特点—高强度和短波长，正因为此，使得其在光纤传感方面有了独特的用处。比如，用气体放电光源发出的高强度短波长的光来激发待测物质，使其发射荧光，可用来检测物质的温度、含量等。
（3）发光二极管
发光二极管（LED）是用半导体材料制作的正向偏置的PN结二极管。其发光机理是当在PN结两端注入正向电流时，注入的非平衡载流子（电子－空穴对）在扩散过程中复合发光，这种发射过程主要对应光的自发发射过程。按光输出的位置不同，发光二极管可分为面发射型和边发射型。我们最常用的LED是InGaAsP/InP双异质结边发光二极管。发光二极管具有可靠性较高，室温下连续工作时间长、光功率－电流线性度好等显著优点，而且由于此项技术已经发展得比较成熟，所以其价格非常便宜。因此在一些简易的光纤传感器的设计中，如果LED能够胜任，选用它作为光源即可大大降低整个传感器的成本。然而LED的发光机理决定了它存在着很多的不足，如输出功率小、发射角大、谱线宽、响应速度低等。因此，在一些需要功率高、调制速率快、单色性好的光源的传感器设计中，就不得不以提高成本为代价，选用其它更高性能的光源。
2、相干光源
激光器要工作必须具备三个基本条件，即激光物质、光谐振器和泵浦源，其基本结构如图1所示。
激光器发光原理是：通过泵浦源将能量输入激光物质，使其实现粒子数反转，由自发辐射产生的微弱的光在激光物质中得以放大，由于激光物质两端放置了反射镜，有一部分符合条件的光就能够反馈回来再参加激励，这时被激励的光就产生振荡，经过多次激励，从右端反射镜中投射出来的光就是单色性、方向性、相干性都很好的高亮度的激光。不同类型的激光器在发光物质、反射镜以及泵浦源等方面所用材料有所区别，下文提到的各种激光器也正是基于这些不同进行分类的。
（1）固体激光器
固体激光器即激光物质为固体的激光器。早在1960年，梅曼（Maiman）研制的世界上的第一台激光器—红宝石激光器（Cr3+：Al2O3）就是一种典型的固体激光器。随后掺钕（Nd3+）离子的钇铝石榴石（Nd：YAG）激光器，掺钕（Nd3+）离子的玻璃激光器，掺钛（Ti3+）离子的蓝宝石激光器都相继出现。固体激光器具有输出能量大、峰值功率高、器件结构紧凑、便于光纤耦合、使用寿命长和单元技术成熟等优点，而且它的体积也较气体激光器要小，价格也比较适中。正由于这些优点，固体激光器在光纤传感领域有一定的应用，可以用于测量吸收光谱，如测量由污染物产生的瑞利、喇曼散射光谱；可用于超长距离的测量，如月球到地球的距离。另外红宝石本身在光纤传感器领域也是很有用武之地的，比如可利用其荧光热效应来测量环境温度等。固体激光器的主要缺陷在于常用惰性气体放电灯泵浦效率低，热效应严重，限制了输出功率的进一步提高和光束质量的改善。
（2）液体激光器
激光工作物质是液体的激光器称为液体激光器。其具有独特的输出特性：输出激光谱线宽、光束发散角小、，激光输出波长可移动（可调谐），某两种液体混合可以产生输出新波长的液体，激活离子密度大，增益系数高和可得到较高输出功率等等。另外，价格便宜、能量转换效率高、光学均匀性好、冷却方便也是其优点。但是液态激光器本身用起来极为不方便，需要困难的手工操作和闭环泵浦以避免热效应使激光器的特性遭到破坏，而且可以致癌，因此液体激光器在光纤传感领域很少使用。
（3）气体激光器
气体激光器是以气体或金属蒸气作为主要工作物质的激光器。这是一种非常重要的激光器，在光纤传感领域也具有非常广泛的应用。其最大的特点就是可以产生很高的连续功率。对于大多数气体激光器来说，由于气体的吸收谱线很窄，因此不采用光泵浦激励，而采用电激励，这一点就非常适合在光纤传感器中使用。在传感领域，我们常用的气体激光器有氦氖激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光器以及氦分子激光器。其中最有价值的是二氧化碳激光器，它工作在远红外区，具有高效性，可在脉冲工作方式下产生几千瓦的功率，在连续工作时，可产生几瓦的功率，这种连续大功率的提供是其它类型激光器难以达到的。另外很值得一提的是，分布式光纤传感器作为光纤传感器很重要的一个分支，被广泛的应用于许多大型的温度场、应力场的测量当中，以实现实时的、空间连续的测量[3]。对于这种传感器，由于传输距离较长，而且必须保证返回的光信息能够达到探测的量级，因此在光源方面就必须提供足够大的光功率，所以它一般选用气体激光器，其中氩离子激光器就是一种非常好的选择。（4）半导体激光二极管
半导体激光二极管是在光纤传感系统中应用非常广泛的一种光源，其发光原理与上文中讨论的发光二极管的原理没有太大的差别，只是输出光由非相干光变为了相干光。半导体激光二极管作为激光器的一种，同样也必须满足有粒子数反转和光反馈两个要求。其使用的方法是向P型和N型限制层重掺杂，使费米能级间隔在PN结正向偏置下超过带隙实现粒子数反转。再利用与PN结平面相垂直的自然解理面（图2中AB）构成F-P腔。
半导体激光二极管的发光特性如图3所示。在实际应用中必须对激光二极管提出两个要求，一是较低的门限电流，二是稳定的P-I曲线。我们用异质结来代替同质结就可以将门限电流降低两个数量级，而对于稳定性问题目前只有通过外加恒温和光反馈等来加以改善。
半导体激光二极管效率高、体积小，波长范围较宽，价格低，在光纤传感中使用非常方便，特别是在光纤混合传感器中，经常采用较大功率的激光二极管作为光源，通过光电转换后给传感器探头提供电功率。目前，用这种方式实现的光推动温度、压力等传感系统已经实用化了。半导体激光二极管最致命的弱点在于工作一定时间后其性能将逐渐退化，有些特性将变质，而且这些变化是不可逆转的，最终导致激光管不能使用。这个缺陷在很大程度上影响了其在一些必须长期使用、不便更换的光纤传感器中的使用。另外，普通半导体激光的单色性和方向性要比气体激光器的差，这一点在选用时也是值得注意的，人们也一直在试用各种方法进行改进，如利用分布反馈或量子阱结构等技术。
（5）光纤激光器
光纤激光器实际上也属于固体激光器，只是将激光物质换为了稀土离子掺杂光纤，根据掺杂离子的不同以及两端起反射镜功能机理的不同可以分为掺稀土光纤激光器（如图4）、光纤光栅激光器（如图5）、非线性效应光纤激光器、单晶光纤激光器、塑料光气激光器、光孤子激光器等。
光纤激光器主要优点在于容易使低泵浦实现连续工作；其阈值低，增益高，热效应低；利用定向耦合和Bragg反射，可制作窄线宽、可调谐光纤激光器；能很好地与光纤耦合，与现有的光纤器件完全兼容，能进行全光纤测试，可传输系统光源，这在任何光系统、光器件的设计中都是及其珍贵也及其重要的。因此，光纤激光器在下一代的光纤传感器中的应用具有非常好的前景。特别是用作光纤时域发射（OTDR）测量的强光源以及光纤陀螺的宽带发射源。
三、几种新型的光源
1、面发射激光器
面发射激光器是一种光从垂直于半导体衬底表面的方向射出的半导体激光器（如图6）。因为在衬底上面并列排列多个激光器，所以作为以在并行光信息处理及光互联等新的光电子领域中应用为目的的新型半导体激光器而引人注目。这种半导体激光器件可利用半导体工艺技术制成集成电路，即进行单片集成化，具有能够二维并列集成化的特征。
这种激光器的提出到现在不到30年的时间，通过不断的研究开发，其性能已经凌驾于其它半导体激光器之上，但其大规模实用化还是目前通信领域的一个大课题，人们的目标基本上都集中于将其融合到大规模光通信网、光互联、光信息处理等超并行光电子技术等方面。其实，其在光纤传感方面的应用也是一个非常值得研究的课题。面发射激光器具有众多优点，如体积小、门限电流低且对温度不敏感、寿命长、电光效应高、响应速度快、与光纤结合容易、可大规模生产、可做成密集排列的二维激光阵列、可应用到层叠光集成电路上等。密集排列二维激光阵列可以使利用光纤传感进行小面积内同时多点测量得以实现；层叠式集成可以使一个庞大的传感器系统微小化变为可能。因此，笔者认为对于此种光源性能的进一步提高和其在光纤传感领域的实用化值得期待。2、光子晶体激光器
传统激光器的性能正在逐渐地改进，但其中有一些缺陷似乎很难克服，例如，激光器发射波长的变化使传输损耗发生变化；随功率的增加线宽趋于饱和，并重新展宽；辐射角比较大，耦合效率不高。而如果在激光器中引入一带有缺陷的光子晶体，即人为地制造出可以将光局限在其中的微腔（如图7），这样在光子带隙中就会出现一个或几个孤立的缺陷模，如果微腔中的激光介质被激发，那么就会产生具有缺陷模特征的激光，而当微腔的Q值足够大时，缺陷模激光就会有很好的单色性，再以平面内波导或平面外其它方式将其引出光子晶体，方向就可以很好地控制。此时，自发辐射的能量几乎全部用来发射激光，这就大大降低了激光器的阈值。这种小体积，低阈值甚至零阈值，高功率，易于光纤耦合而且可以在小区域密集分布的激光器也正是通常我们在设计光纤传感器选择光源时所追求的；另外，光子晶体激光器本身还可以延伸到高灵敏的化学探测器设计中，并为探索许多基本的物理现象开辟新的方向。
1999年，美国加州理工大学A.Scherer领导的研究组首次报道了可工作在室温下且运转在1550nm的光子晶体激光器（图8）。目前，贝尔实验室、英国斯温顿Bath大学、丹麦CrystalFiberA/S公司等都在大力地研究这种新型的激光器。A.J.Danner等人提出的双缺陷光子晶体垂直腔面发射激光器更是集以上两种激光器的优势于一体【11】。在我国，今年四月份深圳市激光工程重点实验室也已经开发出了功率达15W的光子晶体激光器。据预计，在五年之内，高效光子晶体激光发射器将逐步实用化，继而逐渐发展为激光器的主流。
3、其它
目前正在进一步研究的激光器类型还有很多，如化学激光器、气动激光器、色心激光器、自由电子激光器、单原子激光器、X射线激光器等。这些激光器在各自性能上都具有独到之处，但目前来说成本还比较高，在光纤传感器领域的应用还不是很广泛；然而，可以预计随着技术的进一步成熟，这些激光器的价格将逐渐下降，其性能上的某些特殊亮点也将逐渐被人们所认识。
四、展望
光源在很大程度上决定了光纤传感器的发展，然而市场对光纤传感器的需求和不断提高的性能要求也反过来影响着光源的发展。可以预计，将来光纤传感器系统必将向着小巧、便捷、多用途、高灵敏性、低成本的方向发展，因而光源也必须在不断降低成本的基础上，逐渐集成化、模块化。目前，国内外很多科研机构已经开始了集成光电子模块（IOEM）的深入研究和开发，IOEM是将发光光源及探测器以及二者的辅助及激励电路，甚至还有运算部分集成在一起而构成的一个模块，它代表了光纤传感器用光源的一种发展趋势。另外，一些特种光源的研制及其在传感领域的应用必将不断地给人们带来惊喜。最后，如果光子晶体激光器能够尽快的实用化，它将为激光器领域带来一次巨大的变革，从而推动光纤传感器进一步飞速发展。由于光子晶体操纵光波流动的灵活性，预计将来有可能可以为每一种光纤传感器的设计量身定做一种光子晶体光源，这样，光纤传感器必将更加灵活、高效，这也正是我们所期望的。
参考文献：
[1]王玉田，郑龙江，侯培国等.光电子学与光纤传感器技术[M].国防工业出版社2003P42-61
[2]宁提纲，张劲松，裴丽等.光纤光栅激光器[J].光通信研究2000第3期
[3]廖延彪，黎敏.光纤传感器的今日与发展[J].传感器世界2004.210卷第2期
[4]王青，赵路民，宁永强等.光通信用垂直腔面发射激光器的进展[J].光通信研究2004第1期
[5]程丙英.光子晶体波导及光子晶体激光器[J].物理教学2003.225卷第2期[/M]