摘 要： 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，本文的分析對設(shè)計光纖傳感器時光源的選擇具有一定的參考價值。 關(guān)鍵詞：光纖傳感器；光源；面發(fā)射激光器；光子晶體激光器 一、引言 光纖傳感器已經(jīng)有近30年的歷史了，由于其具有抗電磁干擾（EMI）、抗射頻干擾（RFI）、重量輕、體積小、靈敏度高、帶寬寬以及易于實現(xiàn)多路或分布式傳感等優(yōu)點，目前已經(jīng)成為軍事、工業(yè)、民用上不可或缺的一種傳感器類型。光纖傳感器所選用的光源類型在很大程度上決定了此傳感器的工作模式、信號處理方法、分辨率、靈敏度及測量精度，因而選擇一種合適的光源對整個光纖傳感器的設(shè)計起著至關(guān)重要的作用。然而，在選擇光源時，應(yīng)考慮的因素很多，如光源的尺寸、輸入輸出功率、穩(wěn)定性、相干性、光譜特性以及與光纖的耦合難易程度等，另外光源的價格也在很大程度上決定了這種光纖傳感器最終是否能夠?qū)嵱没?。本文對幾種常用的光纖傳感器光源的性能進行了描述，對其所適用的場合和價格問題進行了分析和比較，并介紹了幾種新型的激光器，最后對光纖傳感器選用光源的發(fā)展趨勢進行了預(yù)測和展望。 二、光纖傳感器中常用光源的原理及其主要特性 1、非相干光源 （1）熱光源 熱光源的主要原理是由電流加熱合適的材料使其產(chǎn)生熱輻射。典型的熱光源是鎢燈，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，使用方便且具有連續(xù)光譜。 這種熱光源用在光纖傳感器中時有兩個非常重要的問題值得考慮：一個是光源的穩(wěn)定性問題，根據(jù)經(jīng)驗，鎢絲產(chǎn)生的光電流正比于燈絲電壓的3～4次冪，因此為了保證提供較穩(wěn)定的光功率就必須應(yīng)用具有非常高穩(wěn)定性的電源和電路；另一個問題是調(diào)制速率的限制，對這種光源的調(diào)制一般采用機械斬波器，但其頻率通常低于1kHz，這在很多光纖傳感器的應(yīng)用中是遠遠達不到要求的。鑒于這些限制，在實際光纖傳感器的設(shè)計中一般不提倡選用此種光源。 （2）氣體放電光源 玻璃管密封的氣體在紫外線或射線作用下，有少量分子被電離，在其內(nèi)密封兩個電極，當(dāng)外加電壓足夠高時，電場作用使帶電粒子動能增大到足以電離其它氣體分子，氣體分子吸收帶電粒子能量，使電子躍遷到激發(fā)態(tài)，由于電子在激發(fā)態(tài)上是不穩(wěn)定的，將在極短的時間內(nèi)回到低能級態(tài)甚至基態(tài)，此時能量將以光的形式釋放。 氣體放電光源的發(fā)光原理就決定了其發(fā)光光譜是不連續(xù)的。這種光源有兩個顯著的特點—高強度和短波長，正因為此，使得其在光纖傳感方面有了獨特的用處。比如，用氣體放電光源發(fā)出的高強度短波長的光來激發(fā)待測物質(zhì)，使其發(fā)射熒光，可用來檢測物質(zhì)的溫度、含量等。 （3）發(fā)光二極管 發(fā)光二極管（LED）是用半導(dǎo)體材料制作的正向偏置的PN結(jié)二極管。其發(fā)光機理是當(dāng)在PN結(jié)兩端注入正向電流時，注入的非平衡載流子（電子－空穴對）在擴散過程中復(fù)合發(fā)光，這種發(fā)射過程主要對應(yīng)光的自發(fā)發(fā)射過程。按光輸出的位置不同，發(fā)光二極管可分為面發(fā)射型和邊發(fā)射型。我們最常用的LED是 InGaAsP/InP雙異質(zhì)結(jié)邊發(fā)光二極管。 發(fā)光二極管具有可靠性較高，室溫下連續(xù)工作時間長、光功率－電流線性度好等顯著優(yōu)點，而且由于此項技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，所以其價格非常便宜。因此在一些簡易的光纖傳感器的設(shè)計中，如果LED能夠勝任，選用它作為光源即可大大降低整個傳感器的成本。然而LED的發(fā)光機理決定了它存在著很多的不足，如輸出功率小、發(fā)射角大、譜線寬、響應(yīng)速度低等。因此，在一些需要功率高、調(diào)制速率快、單色性好的光源的傳感器設(shè)計中，就不得不以提高成本為代價，選用其它更高性能的光源。 2、相干光源 激光器要工作必須具備三個基本條件，即激光物質(zhì)、光諧振器和泵浦源，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。 激光器發(fā)光原理是：通過泵浦源將能量輸入激光物質(zhì)，使其實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，由自發(fā)輻射產(chǎn)生的微弱的光在激光物質(zhì)中得以放大，由于激光物質(zhì)兩端放置了反射鏡，有一部分符合條件的光就能夠反饋回來再 參加激勵，這時被激勵的光就產(chǎn)生振蕩，經(jīng)過多次激勵，從右端反射鏡中投射出來的光就是單色性、方向性、相干性都很好的高亮度的激光。不同類型的激光器在發(fā)光物質(zhì)、反射鏡以及泵浦源等方面所用材料有所區(qū)別，下文提到的各種激光器也正是基于這些不同進行分類的。 （1）固體激光器 固體激光器即激光物質(zhì)為固體的激光器。早在1960年，梅曼（Maiman）研制的世界上的第一臺激光器—紅寶石激光器（Cr3+：Al2O3）就是一種典型的固體激光器。隨后摻釹（Nd3+）離子的釔鋁石榴石（Nd：YAG）激光器，摻釹（Nd3+）離子的玻璃激光器，摻鈦（Ti3+）離子的藍寶石激光器都相繼出現(xiàn)。固體激光器具有輸出能量大、峰值功率高、器件結(jié)構(gòu)緊湊、便于光纖耦合、使用壽命長和單元技術(shù)成熟等優(yōu)點，而且它的體積也較氣體激光器要小，價格也比較適中。正由于這些優(yōu)點，固體激光器在光纖傳感領(lǐng)域有一定的應(yīng)用，可以用于測量吸收光譜，如測量由污染物產(chǎn)生的瑞利、喇曼散射光譜；可用于超長距離的測量，如月球到地球的距離。另外紅寶石本身在光纖傳感器領(lǐng)域也是很有用武之地的，比如可利用其熒光熱效應(yīng)來測量環(huán)境溫度等。固體激光器的主要缺陷在于常用惰性氣體放電燈泵浦效率低，熱效應(yīng)嚴(yán)重，限制了輸出功率的進一步提高和光束質(zhì)量的改善。 （2）液體激光器 激光工作物質(zhì)是液體的激光器稱為液體激光器。其具有獨特的輸出特性：輸出激光譜線寬、光束發(fā)散角小、，激光輸出波長可移動（可調(diào)諧），某兩種液體混合可以產(chǎn)生輸出新波長的液體，激活離子密度大，增益系數(shù)高和可得到較高輸出功率等等。另外，價格便宜、能量轉(zhuǎn)換效率高、光學(xué)均勻性好、冷卻方便也是其優(yōu)點。但是液態(tài)激光器本身用起來極為不方便，需要困難的手工操作和閉環(huán)泵浦以避免熱效應(yīng)使激光器的特性遭到破壞，而且可以致癌，因此液體激光器在光纖傳感領(lǐng)域很少使用。 （3）氣體激光器 氣體激光器是以氣體或金屬蒸氣作為主要工作物質(zhì)的激光器。這是一種非常重要的激光器，在光纖傳感領(lǐng)域也具有非常廣泛的應(yīng)用。其最大的特點就是可以產(chǎn)生很高的連續(xù)功率。對于大多數(shù)氣體激光器來說，由于氣體的吸收譜線很窄，因此不采用光泵浦激勵，而采用電激勵，這一點就非常適合在光纖傳感器中使用。在傳感領(lǐng)域，我們常用的氣體激光器有氦氖激光器、氬離子激光器、二氧化碳激光器以及氦分子激光器。其中最有價值的是二氧化碳激光器，它工作在遠紅外區(qū)，具有高效性，可在脈沖工作方式下產(chǎn)生幾千瓦的功率，在連續(xù)工作時，可產(chǎn)生幾瓦的功率，這種連續(xù)大功率的提供是其它類型激光器難以達到的。另外很值得一提的是，分布式光纖傳感器作為光纖傳感器很重要的一個分支，被廣泛的應(yīng)用于許多大型的溫度場、應(yīng)力場的測量當(dāng)中，以實現(xiàn)實時的、空間連續(xù)的測量[3]。對于這種傳感器，由于傳輸距離較長，而且必須保證返回的光信息能夠達到探測的量級，因此在光源方面就必須提供足夠大的光功率，所以它一般選用氣體激光器，其中氬離子激光器就是一種非常好的選擇。 （4）半導(dǎo)體激光二極管 半導(dǎo)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?dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體襯底表面的方向射出的半導(dǎo)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(dǎo)體激光器而引人注目。這種半導(dǎo)體激光器件可利用半導(dǎo)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(dǎo)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(biāo)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(rèn)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。 2、光子晶體激光器 傳統(tǒng)激光器的性能正在逐漸地改進，但其中有一些缺陷似乎很難克服，例如，激光器發(fā)射波長的變化使傳輸損耗發(fā)生變化；隨功率的增加線寬趨于飽和，并重新展寬；輻射角比較大，耦合效率不高。而如果在激光器中引入一帶有缺陷的光子晶體，即人為地制造出可以將光局限在其中的微腔（如圖7），這樣在光子帶隙中就會出現(xiàn)一個或幾個孤立的缺陷模，如果微腔中的激光介質(zhì)被激發(fā)，那么就會產(chǎn)生具有缺陷模特征的激光，而當(dāng)微腔的Q值足夠大時，缺陷模激光就會有很好的單色性，再以平面內(nèi)波導(dǎo)或平面外其它方式將其引出光子晶體，方向就可以很好地控制。此時，自發(fā)輻射的能量幾乎全部用來發(fā)射激光，這就大大降低了激光器的閾值。這種小體積，低閾值甚至零閾值，高功率，易于光纖耦合而且可以在小區(qū)域密集分布的激光器也正是通常我們在設(shè)計光纖傳感器選擇光源時所追求的；另外，光子晶體激光器本身還可以延伸到高靈敏的化學(xué)探測器設(shè)計中，并為探索許多基本的物理現(xiàn)象開辟新的方向。 1999年，美國加州理工大學(xué)A.Scherer領(lǐng)導(dǎo)的研究組首次報道了可工作在室溫下且運轉(zhuǎn)在1550nm的光子晶體激光器（圖8）。目前，貝爾實驗室、英國斯溫頓Bath大學(xué)、丹麥Crystal Fiber A/S公司等都在大力地研究這種新型的激光器。A.J. Danner等人提出的雙缺陷光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器更是集以上兩種激光器的優(yōu)勢于一體【11】。在我國，今年四月份深圳市激光工程重點實驗室也已經(jīng)開發(fā)出了功率達15W的光子晶體激光器。據(jù)預(yù)計，在五年之內(nèi)，高效光子晶體激光發(fā)射器將逐步實用化，繼而逐漸發(fā)展為激光器的主流。 3、其它 目前正在進一步研究的激光器類型還有很多，如化學(xué)激光器、氣動激光器、色心激光器、自由電子激光器、單原子激光器、X射線激光器等。這些激光器在各自性能上都具有獨到之處，但目前來說成本還比較高，在光纖傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用還不是很廣泛；然而，可以預(yù)計隨著技術(shù)的進一步成熟，這些激光器的價 格將逐漸下降，其性能上的某些特殊亮點也將逐漸被人們所認(rèn)識。 四、展望 光源在很大程度上決定了光纖傳感器的發(fā)展，然而市場對光纖傳感器的需求和不斷提高的性能要求也反過來影響著光源的發(fā)展。可以預(yù)計，將來光纖傳感器系統(tǒng)必將向著小巧、便捷、多用途、高靈敏性、低成本的方向發(fā)展，因而光源也必須在不斷降低成本的基礎(chǔ)上，逐漸集成化、模塊化。目前，國內(nèi)外很多科研機構(gòu)已經(jīng)開始了集成光電子模塊（IOEM）的深入研究和開發(fā)，IOEM是將發(fā)光光源及探測器以及二者的輔助及激勵電路，甚至還有運算部分集成在一起而構(gòu)成的一個模塊，它代表了光纖傳感器用光源的一種發(fā)展趨勢。另外，一些特種光源的研制及其在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用必將不斷地給人們帶來驚喜。最后，如果光子晶體激光器能夠盡快的實用化，它將為激光器領(lǐng)域帶來一次巨大的變革，從而推動光纖傳感器進一步飛速發(fā)展。由于光子晶體操縱光波流動的靈活性，預(yù)計將來有可能可以為每一種光纖傳感器的設(shè)計量身定做一種光子晶體光源，這樣，光纖傳感器必將更加靈活、高效，這也正是我們所期望的。 參考文獻： [1] 王玉田， 鄭龍江，侯培國等. 光電子學(xué)與光纖傳感器技術(shù)[M]. 國防工業(yè)出版社 2003 P42-61 [2] 寧提綱， 張勁松， 裴麗等. 光纖光柵激光器[J]. 光通信研究 2000 第3期 [3] 廖延彪， 黎敏. 光纖傳感器的今日與發(fā)展[J]. 傳感器世界 2004.2 10卷第2期 [4] 王青， 趙路民，寧永強等. 光通信用垂直腔面發(fā)射激光器的進展[J]. 光通信研究 2004 第1期 [5] 程丙英. 光子晶體波導(dǎo)及光子晶體激光器[J]. 物理教學(xué) 2003.2 25卷第2期