光纤传感器中光源的选用及比较

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。