光纤传感器中光源的选用及比较

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。