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光源的选择及性能
发布时间： 2011-11-07 09:11 浏览次数：
用于光纤气体传感器中的光纤细而长，为使光波能在其中正常传播，并满足测量要求，对光源的结构与性能要求如下：
(1) 由于光纤传感器的结构有限，要求光源体积小，便于与光纤耦合；
(2) 光源功率大，以保证传感器输出的光功率强；
(3) 光源输出波长应与光纤的低损耗窗口相适应，以减少光波在光纤中传输能量损耗；
(4) 光源工作时稳定性好、噪声小，能在室温下连续长期工作；
(5) 光源要便于维护使用方便。
目前光纤气体传感器的研究主要集中在近红外波段，考察气体在近红外区的泛频带或联合带的吸收情况，本系统所选甲烷气体吸收波长为1.33。对光源的要求包括几个方面:输出中心频率同甲烷气体的吸收光谱特性相吻合;温度特性良好；单模运行；输出功率足够大且在阀上范围内与注入电流存在良好的线性关系。
激光器按工作物质不同，可分为气体激光器、液体激光器、固体激光器和半导体激光器【34】。下面主要介绍三种典型半导体光源。
发光二极管(LED)是一种固态PN结器件，其电致发光机理包括PN结发光、异质结注入发光以及雪崩击穿发光和隧道效应发光等。其发射的是非相干光，具有较宽的谱宽(30nm-60 nm)。按发射波不同，目前发光二极管可被划分为3个波段：可见光发光二极管，波长范围为400nm-700nm，其主要用于指示、数字与字母显示、阵列和平板显示等，是目前使用最广的发光二极管，但是它的波长范围不在光纤低损耗窗口内。近红外短波长发光二极管，波长范围为800nm-900 nm；近红外波长发光二极管，波长范围为1000nm-1700 nm，这2个波段处于光纤低损传输窗口，因此它们可应用于光纤通信、光纤传感系统中【35】。
3.1.1.2 半导体激光器
半导体激光器的发光是能带之间的电子-空穴对复合产生的。半导体激光器要产生激光，要满足以下条件：第一，要产生足够的粒子数反转；第二，要有谐振腔(Resonant Cavity)，能起到光反馈的作用；第三，产生激光还需要满足阈值条件，即增益要大于总的损耗。对于半导体激光器，它所用的发光材料(InGaAsP)和LED一样，大多数采用InGaP/InP双异质结。实现粒子数反转需保证N型半导体的导带能级与P型半导体价带能级差大于所需频率光子的能量，才能使光子的产生率大于光子的损耗率，即有净剩光子存在。光子在谐振腔端面每反射一次都将获得一次增益(受激发射，光子数增加)，这样就获得了激光。一般的半导体激光器(LD)具有如下基本性能【36】。
(1) 阈值特性要得到净剩光子就必须有足够的电流，因此LD的驱动电流只有
达到某一强度，LD才会出激光，这时的驱动电流即为阈值电流。
(2) LD的模(Mode)结构LD的谐振腔是利用半导体发光晶体的天然解理面构成的F-P腔。在一个长度为L，腔中介质折射率为n的矩形腔中，满足谐振(驻波)波长有很多，即满足的波长都可以谐振。每一种振荡模式为一个纵模。一般条件下LD是
(3-1)
多纵模的结构。环境温度涨落会引起各纵模中心频率的漂移即模式竞争。在吸收式气体检测中，即使采用精密控温，LD谐振腔端面总存在一定的热涨落，引起腔长的微小变化，各纵模的谐振态亦将发生变化，造成光波能量在各纵模之间重新分配。尽管宏观上总的输出光强稳定，单个纵模或几个主要纵模因模式竞争都不稳定。由于气体的吸收谱线很窄，参与吸收的只能是某个或某几个纵模，这些纵模的不稳定，必然导致一定浓度的气体吸收的光能量的不稳定。所以多纵模半导体光源不宜用于气体吸收检测。普通结构的F－P腔半导体激光器，即使在直流状态下能实现单纵模工作，但在高速调制状态下也会发生光谱展宽。在用作光纤通信系统的光源时，若光纤具有色散，则上述光谱展宽会使光纤传输带宽减少，从而限制传输速度。
3.1.1.3 分布反馈式半导体激光器(DFBLD)
单纵模激光器是采用某些措施使得多纵模中的一个模存在，其它的纵模都被抑制掉，形成一种光强、波长都很稳定的光源。比较成功的方法是分布式反馈抑制(DFB)，这种DFBLD的阈值电流一般比普通的激光器的要小，中心波长可以通过改变注入电流来调节，性能好、稳定性高，是吸收型光纤气体传感器的主要可选光源。
实际中应用的DFBLD主要有具有均匀光栅的DFBLD、λ/4相移的DFBLD和
增益耦合的DFBLD三种。在光纤气体传感中主要应用增益耦合的DFB LD。这种
DFBLD有稳定的单纵模工作状态，而且具有高速、低啁啾的特性。
一般情况下，增益耦合DFBLD中，沿腔只有增益是周期性分布的。但实际器件中同时也存在折射率周期性分布。在做一般的分析时，要考虑存在折射率的周期分布。增益和折射率的周期分布可分别表示为
(3-2)
(3-3)
增益耦合激光器的激射膜可以用下述耦合系数的耦合波方程来分析
(3-4)
式中 g为增益耦合系数， n为折射率耦合系数，分别由下式表示
(3-5)
(3-6)
在纯增益光栅激光器中，能得到在布拉格波长下的稳定单纵模工作，它对于界面反射和进入腔的反射光造成的不稳定性具有更大的抵抗性。这是由于增益耦合DFBLD的主膜与最大边膜的阈值增益差很大【37】。
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