CN1037126C

CN1037126C - 激光脉冲信噪比测试仪

Info

Publication number: CN1037126C
Application number: CN94112291A
Authority: CN
Inventors: 顾冠清; 林尊琪; 陈绍和
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS; Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority date: 1994-08-30
Filing date: 1994-08-30
Publication date: 1998-01-21
Anticipated expiration: 2014-08-30
Also published as: CN1111348A

Abstract

本发明是一种激光脉冲信噪比测试仪。主要适用红外至紫外波段，亚毫微秒或皮秒宽度的激光脉冲的信噪比测量。它含有一组导光镜片组，光电转换与蜂值保持系统、计算机系统和可以供给+5伏、+15伏和-15伏的低压直流多路电源。仪器中的关键部分光电转换与蜂值保持系统置于一屏蔽盒内，含有两只完全相等的光电转换门和两组完全相同的蜂值保持电路。本发明可以通过单次实时测量，自动记录和分析，能够准确地测得信噪比值达10⁸量级。

Description

激光脉冲信噪比测试仪

本发明是一种激光脉冲信噪比的测量仪器，主要用于对红外至紫外波段、亚毫微秒或皮秒宽度的高功率激光脉冲进行信噪比测量。

已有技术中，Urakami等人申请的美国专利“OpticalWaveform MeasuringDevice”，Patent No.5168164，Date ofPatent：Dec.1，1992是一种采用光对光取样测量光脉冲波形的仪器。如图1所示的是一种光波形测量仪的基本原理框图，它主要包括：取样光脉冲发生器1、光延迟器2、控制单元3、显示器4、电子管5、透射与反射镜片6。由光脉冲发生器1产生取样光脉冲经光延迟器2延迟后通过透射与反射镜片6透射至电子管5的多光子吸收型光电阴极上，电子管5送出光电转换信号至显示器4的纵向扫描端。控制单元3有两路控制输出，一路控制光延迟器2实现对取样脉冲的延时调节，另一路控制显示器4的横向扫描端。透射与反射镜片6既用于透射光延迟器2的输出光，又用于反射被测光20脉冲。透射与反射镜片6的透射光和反射光共线入射至电子管5的光电阴极上。这里的光取样也就是透射与反射镜片6的透射光对透射与反射镜片6的反射光的取样。在此仪器中，取样光的波长和被测光的波长均大于电子管5的光电阴极灵敏度区域的上限波长，以使得电子管5灵敏地实现双光子吸收和单光电子释放过程。取样光脉冲与被测光脉冲时间同步。当光延迟器2受控制单元3控制而有序输出不同时间点的取样脉冲时，被测光脉冲波形在时间上受到取样，获得双光子和单光电子转换。显示器4上将反映被测光的扫描波形。

该测量仪器采用重复频率光对光时间取样，仅用于对重复频率输出的激光脉冲波形进行测量，不能用作测量光脉冲的高信噪比值，更不能用于对单次工作状态下的高功率和极高信噪比的激光脉冲进行信噪比定量测量。

本发明的目的在于针对已有技术中光脉冲波形测量仪在测量激光脉冲信噪比方面的局限性，重新设计一种全自动、高性能高功率激光脉冲信噪比测试仪，以致它能够记录并分析单次输出的激光脉冲中微弱预前噪声脉冲的相对大小。

附图说明：

图1是已有技术光波形测量仪的基本原理框图。

图2是本发明激光脉冲信噪比测试仪示意图。

图3是本发明光电转换门结构图。

图4是本发明峰值保持电路图。

参见图2所示本发明激光脉冲信噪比测试仪示意图。本发明主要包括四个部分：低压直流多路电源7；光电转换与峰值保持系统8、计算机系统9和导光镜片组10。

低压直流多路电源7有三个电压输出：+15V、+5V、-15V。光电转换与峰值保持系统8装配于金属屏蔽盒中，光电转换与峰值保持系统8中包含：五只相同参数的穿心电容11、两只相同的电阻12、两根相同尺寸和相同特性阻抗Z₁的低阻抗微带线13、两只完全相同的光电转换门14、两对相同尺寸和相同特性阻抗Z₂的共面带线15以及两组完全相同的峰值保持电路16。五只穿心电容11均安装于屏蔽盒壁上，引入或导出直流电平并实现盒体内外的高频干扰的隔离。两电阻12的一端共接于A点后通过一只穿心电容11连至电源7的+5伏端。两电阻12的另一端分别与两微带线13一端接于B点和C点。B、C两点并通过两电容11接至计算机系统9接口。两光电转换门14的a端分别接在两微带线13的另一端，b端均接地，即接屏蔽盒体，两c端分别经两对共面带线15分别连至两组保持电路16的输入端。两组保持电路16的+15伏、-15伏电源线分别共接于D点和E点，D、E分别通过两只电容11再接至电源7的+15伏和-15伏输出端。两组电路16的+5伏电源线共接于F点，然后连到A点。两组电路16的输出端和复位线均各自连至计算机系统9的接口端。计算机系统9的外同步触发线21连在作为被测信号20的激光器系统的启动信号上，以便能够实现同步操作。7、8、9的地端共接。

导光镜片组10包括一只45°半反镜17、一只45°全反镜18和一组光衰减片组19。被测光20的脉冲先通过17一半能量反射给19，再准直入射至8中的一只光电转换门14中；另一半能量经17透射到18上，再全反射到8中的另一只光电转换门14上。这前后两只光电转换门分别用于反映主光脉冲和预光脉冲的相对能量幅度情况。

当被测光20的激光波长为1.06微米、半峰全宽在1毫微秒以下的高功率激光脉冲被分出微焦耳量级的能量J引入至该激光脉冲信噪比测试仪时，在理想情况下，有J/2的能量被引入至右边光电转换门14受光面上，其输出电压脉冲峰值即预脉冲输出，V_NP≈αV_icJ_预，其中

α = \frac{{eμ}_{ph} (1 - r) Z_{2}}{{2 L}^{2} J_{ph}}

V_iC为C点静态直流电压，J_预为能量为J的激光脉冲中预激光脉冲能量，e为电子电量，μ_ph为光电转换门中介质硅的有效电子、空穴迁移率，r为介质面反射系数，L为受光面上电极隙距，J_ph为1.06微米波长的激光光子能量。V_NP被峰值保持电路16保持住的峰值，并放大后将输出V_NPH＝αβV_iCJ_预，其中β的峰值保持系数。同样类似地，有J/2·T的脉冲能量被引入至左边光电转换门14受光面上，T为光衰减片组19的总透过率。光电转换门14输出经峰值保持并放大后有

V_SPH＝αβV_iB·J_主·T，V_iB为B点静态直流电压，J_主为能量J的激光脉冲中主激光脉冲能量。这里忽略了J_预/2·T对J_主/2·T的贡献。计算机系统9在受同步脉冲触发后，迅速对V_iB、V_iC、V_SPH即O_L电压和V_NPH即O_R采集存贮，并在数秒钟内发出复位信号R_L和R_R使两峰值保持电路复位。计算机系统9一方面给出主预脉冲信噪比：

而且，由于峰值保持系统8允许并确定了

\frac{1}{100} \leq \frac{V_{SPH}}{V_{NPH}} \leq 100

则SNR至少有四个量级的动态范围。另一方面，计算机系统9可以非常方便地根据实时电压V_iB、V_iC、V_SPH、V_NPH、T和β值以及表达式

V_{0} = \frac{Z_{2} \cdot V_{i}}{Z_{1} + Z_{2} + R_{on}}

R_{on} = \frac{L^{2} J_{ph}}{E_{1} {eμ}_{ph} (1 - r)}

分析光电转换门14的工作情况及测量误差范围。

图2中所示：本发明的关键部分即为光电转换与峰值保持系统8。整个系统8置于金属屏蔽盒中，只用三只穿心电容11从电源7引进直流电压+15伏、+5伏、-15伏，用两只穿心电容11导出两门14的偏置电压V_iB和V_iC，峰值保持电路16的两输出线和两复位线直接连于计算机系统9接口。在两只光电转换门14受光面的正上方屏蔽盒盖上开有两只能够透射被测光20的窗口，窗口直径一般在5毫米左右，稍大于门14受光面直径。光电转换门14的结构如图3所示。这是一种新型的交叉对插型薄片结构，呈长方形，长为D，宽为W，D、W一般在数毫米量级，片厚度在1毫米以内。对于1.06微米的波长，其光电材料采用低掺杂硅，如掺金硅，光生载流子寿命在数十毫微秒至数百毫微秒量级。图3中阴影部分为光刻沉积的金属电极(如金膜)，电极底层渗入深度低阻层，以大大提高动态欧姆接触程度。整个受光面区域通常呈圆形，直径一般取在2毫米左右。等宽隙距L在微米量级。门14的宽度W与低阻抗微带线13宽度最好相同。门14的a端被采用金丝或合金丝均匀焊接于微带线13端，b端焊于地板，c端焊于共面带线15的入口端上。当微带线13上充有V_i的直流偏置电压时，一旦门14受到短脉冲激光作用，如波长为1.06微米，共面带线15上能够获得电压脉冲峰值V₀表达式为：

V_{0} = \frac{R_{on} \cdot Z_{2}}{R_{on}^{2} + (Z_{1} + 2 Z_{2}) R_{on} + Z_{1} \cdot Z_{2}} \cdot V_{l}

当且R_on＞＞Z₂时，有：

V_{0} \approx \frac{Z_{2}}{R_{on}} V_{i}

即

V_{0} \approx \frac{Z_{2} {eμ}_{ph} (1 - r)}{L^{2} \cdot J_{ph}} V_{i} \cdot J_{i} = 2 {αV}_{i} \cdot J_{i}

显然在Z₁、Z₂都较小，门14在微弱能量的光脉冲作用下，总存在门14的输出与辐射激光脉冲能量间的准线性关系。但是，一旦当门14受到较强光脉冲作用时，R_on迅速趋于零，门14的输出V₀立即被短接于地。虽然在完全短路发生前极短时间(小小于1毫微秒)内产生一个幅度为

\frac{V_{i}}{1 + {(1 + \sqrt{\frac{Z_{1}}{Z_{2}}})}^{2}}

时间宽度在微微秒级(远小于光脉冲宽度)的毛刺脉冲，但因其脉冲宽度极窄，幅度不高，将不会在后继峰值保持电路16的前级生效，而被大大衰减掉。因此说，光电转换门14的被动短地功能是本发明的最关键所在。

如图4为峰值保持电路16的电路图。它是一个超快、低漂移、正电压脉冲峰值检测电路，能对宽度在数毫微秒以上的正极性脉冲实现峰值保持与放大。该电路是根据高速峰值保持电路原理特殊设计的。它由四级组成，而且一目了然。第一级为快速二极管电容检峰电路22；第二级为脉冲伸展电路23；第三级为低漂移取样保持电路24；第四级为线性放大电路25。整个检测电路的线性工作范围为40倍，可将峰值在2.5毫伏至250毫伏、宽度在数毫微秒以上的正脉冲峰值检出，并线性放大40倍至100毫伏至10.00伏范围直流电平。计算机系统9有受到同步脉冲触发，启动检测各输入信号后数秒钟，送出复位触发信号，使峰值保持电路16复位后恢复常态。整个电路16结构简单合理，具体参数设计详见图4所示。

上述我们采用掺杂硅材料(掺金硅)作为波长1.06微米激光脉冲的光电转换门14介质。对于波长为1.06微米，其介质还可以用N型砷化镓(GaAs)材料。对于0.53微米波长的激光脉冲，其介质可以采用硒硫化镉(CdS_0.5Se_0.5)或磷化钙(CaP)材料。对0.265微米波长，其介质可以采用金刚石。而且对于上述不同波长，上述各材料也可以互相替代，只是灵敏度有所不同，但不影响对激光脉冲信噪比的测量。

本发明与已有技术相比，具有下列优点：

1.能够准确地测出高功率激光脉冲与其噪声预脉冲的相对能量比值即信噪比值，可达10⁸量级。这是已有技术通过观察光脉冲波形无法读出的。

2.通过单次实时测量，自动记录并分析信噪比情况及测量误差范围，摆脱了用取样测量法时对激光脉冲重复率要求的限制。

最佳实施例：

如图2，低压直流电源7采用普通商用有三路电压输出的低压直流源。五只穿心电容11均采用标准3300微微法容量低压电容。两只电阻12选用参数0.5瓦、10千欧姆。低阻抗微带线13和低阻抗共面带线15均制作在0.5毫米厚的高频聚四氟乙烯增强板上，板的相对介电常数ε_r＝2.65，板长40厘米，宽20厘米。13、15的特性阻抗均设计为30欧姆，线长分别为18厘米和3厘米。光电转换门14和峰值保持电路16都直接装配于底板上。门14衬底厚0.5毫米，长D取5毫米，宽W取3毫米，光电介质采用掺金硅(Si∶Au)，电阻率ρ＝10⁶～10⁷欧姆·厘米(室温)，受光面直径为3毫米，隙距L为10微米。峰值保持电路16的选用元件参数取值均按图4所示。计算机系统9中采用普通12位模数板，主机采用MCS-51或96单片机，或用16位PC机即可。导光镜片组10中采用对于1.06微米波长的45°半反镜、45°全反镜和多层衰减片组，衰减片组总透过率最小可达10^-9。

Claims

1.一种激光脉冲信噪比测试仪，其特征在于它主要包括四个部分：低压直流多路电源(7)、光电转换与峰值保持系统(8)、计算机系统(9)和导光镜片组(10)，其具体构成是：被测光(20)的光脉冲通过一组导光镜片组(10)后进入含有两只完全相同的光电转换门(14)和两组完全相同的峰值保持电路(16)的光电转换与峰值保持系统(8)，两组峰值保持电路(16)的输出端和复位线均各自连至计算机系统(9)的接口端，计算机系统(9)的外同步触发线(21)连在被测光(20)的启动信号上，由低压直流多路电源(7)提供光电转换与峰值保持系统(8)所用电源+5伏、+15伏和-15伏。

2.依据权利要求1所述的一种激光脉冲信噪比测试仪，其特征在于整个光电转换与峰值保持系统(8)置于一能够隔离高频干扰的带有两个能够透射被测光窗口的金属屏蔽盒内，含有两只电阻(12)的一端共接于A点，由A点通过五只穿心电容(11)中的一只与低压直流多路电源(7)输出+5伏端相接，两电阻(12)的另一端分别与连接在两光电转换门(14)上的两低阻抗微带线(13)的B点和C点上，由B点和C点再通过五只穿心电容(11)中两只电容接至计算机系统(9)的接口；两只光电转换门(14)通过两对共面带线(15)分别连至两组峰值保持电路(16)的输入端，两组峰值保持电路(16)的+15伏和-15伏的电源线分别通过一只穿心电容(11)连至低压直流多路电源(7)的输出+15伏和-15伏端，两组峰值保持电路(16)的输出端和复位线分别连至计算机系统(9)的接口端，两只光电转换门(14)的受光面分别对准金属屏蔽盒上的两只窗口。

3.依据权利要求1或2所述的一种激光脉冲信噪比测试仪，其特征在于光电转换门(14)是交叉对插型薄片结构，受光面区域上所有隙距L相等。

4.依据权利要求1所述的一种激光脉冲信噪比测试仪，其特征在于导光镜片组包括：半反镜(17)，经过半反镜(17)的被反射的被测光(20)通过一组光衰减片组(19)射到一光电转换门(14)的受光面上，经过半反镜(17)透射的被测光(20)通过一全反镜(18)射到另一光电转换门(14)的受光面上。

5.依据权利要求1所述的一种激光脉冲信噪比测试仪，其特征在于峰值保持电路(16)由四级组成：第一级是快速二极管电容检峰电路(22)，第二级是脉冲伸展电路(23)，第三级是低漂移取样保持电路(24)，第四级是线性放大电路(25)。