第三章光纤传感系统精要.ppt

* * * * * * * * * * * * 半外腔式氦氖激光管 优缺点介于内、外腔式之间； 为非常规产品，通常需要定做。 功率高（数瓦），是目前可见光区域输出功率最高的连续工作激光器。 优点： 缺点： 价格高，效率低，使用不便 应用： 对于非线性效应和大面积受相干光照射的全息处理有用 氩离子（Ar）激光器 工作在红外区，具有高效性，在脉冲工作方 式下产生几千瓦的功率，在连续工作时，产生几瓦的功率 优点： 缺点： 价格高，使用不便 应用： 加工（焊接、切割、打孔等），通讯、雷达、化学分析，激光诱发化学反应，外科手术等方面 二氧化碳（CO2）激光器 3 固体激光器 根据工作物质分类： 红宝石激光器，波长：694.3nm； Nd:YAG激光器，波长：1.06?m； 钕玻璃激光器：波长:1.06?m； 输出能量大、峰值功率高、器件结构紧、便于光纤耦合、使用寿命长和单元技术成熟等。 优点： 固体激光器即激光物质为固体的激光器。 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，如月球到地球的离 可利用红宝石激光器的荧光热效应来测量环境 温度等。 固体激光器的在光纤传感应用： 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步提高和光束质量的改善。 不足： 4 光纤激光器 光纤激光器是指用掺稀土元素的光纤作为激光介质的激光器，属于固体激光器。 根据掺杂离子的不同以及两端起反射镜功能机理的不同，可以分为稀土类掺杂光纤激光器、光纤光栅激光器、非线性效应光纤激光器、单晶光纤激光器、塑料光纤激光器、光孤子激光器、放大自发辐射ASE光源、光子晶体光纤激光器等。 优势： 阈值低，增益高; 利用定向耦合和Bragg反射，可制作窄线宽、可调谐光纤激光器; 光纤导出，与现有的光纤器件完全兼容，能很好地与光纤耦合，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； 光纤制造成本低、技术成熟及其光纤的可绕性所带来的小型化、集约化优势； 优势： 谐振腔内无光学镜片，具有免调节、免维护、高稳定性的优点，这是传统激光器无法比拟的； 胜任恶劣的工作环境，对灰尘、震荡、冲击、湿度、温度具有很高的容忍度； 热效应低，不需热电制冷和水冷，只需简单的风冷； 高功率,目前商用化的光纤激光器是六千瓦； 高的电光效率：综合电光效率高达20%以上，大幅度节约工作时的耗电，节约运行成本。 在光纤传感中的有着十分重要的地位： 光纤激光器具有效率高、可调谐、稳定性好、紧凑小巧、重量轻和光束质量好等优异性能； 光纤激光器和光纤传感器能相互兼容，光纤激光器产生的激光可以很容易耦合到传感器中； 光纤激光器既可以作为传感器的优质光源，自身也可作为传感器，在传感中有着广阔的应用前景。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。 光源中常用概念： 功率dBm和瓦特之间换算：dBm=30+10lgW; lgW=(dBm-30)/10 波数(cm-1)=104/波长(um)=107/波长(nm) 线宽： 光电探测器： 光电探测器是一种将光信号转换成电信号的器件，它实现光电信息转换是基于物质在光作用下释放出电子这一物理现象(即光电效应)。 外特性参数： 光谱响应特性，光电灵敏度，暗电流和噪声特性 线性好，按比例地将光信号转换为电信号； 灵敏度高，能敏感微小的输入光信号，并输出较大的电信号； 响应频带宽、响应速度快、动态特性好； 性能稳定、噪声小等。 光纤传感器用光探测器的要求 光谱响应特性 输出光电流的相对值与输入光信号波长的关系曲线 归一化光谱响应曲线: 把响应的相对最大值作为1 截止波长: 峰值响应波长 : 响应度最大时所对应的波长 当光波长偏离 时，响应度便下降。当响应度下降到其峰值的50％时，所对应的波长 光电灵敏度 在给定波长的入射光照射下，输入单位光功率时，光探测器的输出值。（光电转换能力） 暗电流 是指光探测器在反向电压作用下没有光输入时的输出电流。暗电流是一种噪声，暗电流小的探测器性能稳定，噪声低，检测弱信号的能力强。 光纤传感器中常用光电探测器及特性 PIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。这样，PN结的内电场就基本上全集中于本征层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小。时间常数变小，频带变宽。 P-Si N-Si I-Si PIN管结构示意图 1 PIN光电二极管 特点： 频带宽，可达10GHz。 本征层很厚，在反偏压下运用可承受较