CN104819773A - 连续窄脉宽激光器峰值光功率的测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了连续窄脉宽激光器峰值光功率的测试装置及其测试方法。本装置包括可控衰减器、光电转换采集电路及中央处理器。可控衰减器连接被测脉冲光源的光纤输入接口，可控衰减器连接光电转换采集电路，光电转换采集电路通过现场可编程门阵列FPGA连接中央处理器，中央处理器连接有显示模块。通过高速光脉冲转换技术、高速脉冲信号的频率和脉宽测量技术、连续脉冲光积分保持技术、量程自动换挡技术设计的采集电路，实现了本发明的脉冲光功率测试装置的设计，利用本单机装置和方法就可以完成对连续脉冲光功率的测试，摆脱了由于涉及环节多，无法实现仪器化的难题，从而缩减成本投入、减小系统体积、简化操作流程，具有很强的通用性。

Description

连续窄脉宽激光器峰值光功率的测试装置及方法

技术领域

本发明涉及连续窄脉宽激光器峰值光功率的测试装置及其测试方法。

背景技术

传统意义上的激光峰值功率定义为激光脉冲能量与激光脉冲半宽度的比值。当重复频率较低或脉冲宽度较宽时，可先用波形探测器和示波器测出激光脉冲波形半宽度H，再用激光能量计测出激光脉冲能量E。然后按P_p＝E/H计算激光峰值功率。当重复频率较高或脉冲宽度较窄时，由于无法直接测量激光脉冲能量，可先用波形探测器、示波器测出激光脉冲频率f、激光脉冲波形半宽度H，再用激光功率计测出激光平均功率P_av。然后按公式：

$P_p=\frac{P_{\mathrm{sv}}}{f\×H}$

计算激光峰值功率P_p，基于这种原理的测量方法，由于涉及环节多，很难实现仪器化。

对于半导体激光器研究和应用领域，人们更关心激光脉冲功率的最大值。因此，将该最大值定义为激光脉冲的峰值功率。为了得到该峰值功率，通常采用测量激光平均功率和脉冲波形，通过计算的方法。对于上升时间较慢、脉宽较宽的激光脉冲，还可以采用峰值保持的方法测量得到峰值功率。但对于上升时间小于5ns的高速激光窄脉冲，目前还没有仪器能够直接测量。

由于技术限制，目前可以用在通信波段的单机峰值光功率计仪器非常少见，而且往往通过多种仪器相组合成系统的方式测量，导致测量成本过高、体积庞大、操作复杂、实用性差等问题。

对于现有的峰值光功率测试装置，往往存在以下不足：

(1)测试装置带有外输入触发接口，通过外触发的方式进行光功率采集的同步，这样大大增加了对测量信号的条件要求，增加了测量的复杂性和不确定性；

(2)在加入外触发条件后，内部峰值保持电路的工作也以外部触发作为峰值保持电路的触发开关，同时需要利用一个快速开关对保持的峰值电压进行放电，以免影响后续的测试，因此导致电路装置设计复杂，对外部测量源的条件依赖度较高；

(3)大部分光功率测试装置只能实现连续光功率的测试，而不可以对脉冲光功率进行测试。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提出了一种连续窄脉宽激光器峰值光功率的测试装置及其测试方法。使用该测量方法研制的仪器不仅可以直接数字显示高速半导体激光器的峰值功率，并具有波形输出接口，可满足目前各类半导体激光器峰值光功率测量与分析的急需。

本发明采用如下技术方案：

连续窄脉宽激光器峰值光功率的测试装置，包括可控衰减器、光电转换采集电路及中央处理器，所述可控衰减器连接被测脉冲光源的光纤输入接口，可控衰减器连接光电转换采集电路，光电转换采集电路通过现场可编程门阵列FPGA连接中央处理器，中央处理器连接有显示模块；

所述光电转换采集电路包括光电转换探测器及两路并行的脉冲宽度频率测试通道和积分保持通道，脉冲宽度频率测试通道和积分保持通道的起始端均连接有用于切换的模拟开关，终端分别通过现场可编程门阵列FPGA连接中央处理器，中央处理器通过现场可编程门阵列FPGA连通控制脉冲宽度频率测试通道和积分保持通道。

进一步地，所述光电转换探测器与模拟开关之间加装有用于放大光电流的前置放大器。

进一步地，所述脉冲宽度频率测试通道包括依次连通的第一程控放大器、高速A/D转换器；

所述积分保持通道包括依次连通的积分保持电路、第二程控放大器、高精度A/D转换器；

所述中央处理器通过现场可编程门阵列FPGA连通第一程控放大器、高速A/D转换器、积分保持电路、第二程控放大器及高精度A/D转换器。

连续窄脉宽激光器峰值光功率的测试装置的测试方法，所述测试方法基于上述连续窄脉宽激光器峰值光功率的测试装置，本测试方法采用如下步骤：

(1)被测脉冲光源通过光纤输入接口输入连续窄脉宽激光器峰值光功率的测试装置，可控衰减器对输入的脉冲光进行固定倍数的衰减；

(2)衰减后的脉冲光源经光电转换探测器转换为光电流信号；

(3)光电转换后的电信号通过快速模拟开关进行切换，通过脉冲宽度频率测试通道和积分保持通道，分别完成脉冲宽度测试、频率测试及脉冲光积分保持采集，并将测试结果传输给中央处理器；

(4)当峰值模拟信号进入到积分保持模块后，通过步骤(3)反馈给中央处理器的信息判断调节积分保持电路的积分参数，通过积分后的电压值传输给第二程控放大器，经过第二高精度转换AD将积分电压值转换成数字信号，中央处理器根据数字信号的大小实时调节第一程控放大器的档位，重复步骤(3)获得脉冲宽度H、频率f及平均功率P_av；

(5)根据步骤(4)获得的频率f、脉冲宽度H、平均功率P_av，利用中央处理器，按公式：

$P_p=\frac{P_{\mathrm{sv}}}{f\×H}$

求出相应的峰值光功率结果；

(6)显示模块实时显示峰值光功率的测量结果。

优选地，所述步骤(4)中对于已知脉冲宽度H及频率f，可通过中央处理器输入被测信号的频率f和脉冲宽度H，然后直接利用步骤(5)的公式求出峰值光功率值。

采用如上技术方案取得的有益技术效果为：

1、通过高速光脉冲转换技术、高速脉冲信号的频率和脉宽测量技术、连续脉冲光积分保持技术、量程自动换挡技术设计的采集电路，实现了本发明的脉冲光功率测试装置及方法，利用本单机装置和方法就可以完成对连续脉冲光功率的测试，摆脱了由于涉及环节多，无法实现仪器化的难题，从而缩减成本投入、减小系统体积、简化操作流程，具有很强的通用性；

2、仪器工作时，内部电路可以在不需要外部触发和开关放电模块的条件下完成连续脉冲光功率的测试，大大提高了装置工作的独立性和稳定性。

3、本装置及方法同时可以实现对连续光功率的测试。

附图说明

图1为连续窄脉宽激光器峰值光功率的测试装置结构示意图。

图2为积分保持通道结构示意图。

具体实施方式

结合附图1至2对本发明的具体实施方式做进一步说明：

连续窄脉宽激光器峰值光功率的测试装置，包括可控衰减器、光电转换采集电路及中央处理器，所述可控衰减器连接被测脉冲光源的光纤输入接口，可控衰减器连接光电转换采集电路，光电转换采集电路通过现场可编程门阵列FPGA连接中央处理器，中央处理器连接有显示模块；

所述光电转换采集电路包括光电转换探测器及两路并行的脉冲宽度频率测试通道和积分保持通道，脉冲宽度频率测试通道和积分保持通道的起始端均连接有用于切换的模拟开关，终端分别通过现场可编程门阵列FPGA连接中央处理器，中央处理器通过现场可编程门阵列FPGA连通控制脉冲宽度频率测试通道和积分保持通道。

所述光电转换探测器与模拟开关之间加装有用于放大光电流的前置放大器。

所述脉冲宽度频率测试通道包括依次连通的第一程控放大器、高速A/D转换器；所述积分保持通道包括依次连通的积分保持电路、第二程控放大器、高精度A/D转换器。中央处理器通过现场可编程门阵列FPGA连通第一程控放大器、高速A/D转换器、积分保持电路、第二程控放大器及高精度A/D转换器。

连续窄脉宽激光器峰值光功率的测试装置的测试方法，所述测试方法基于上述连续窄脉宽激光器峰值光功率的测试装置，本测试方法采用如下步骤：

(1)被测脉冲光源通过光纤输入接口输入连续窄脉宽激光器峰值光功率的测试装置，可控衰减器对输入的脉冲光进行固定倍数的衰减；

(2)衰减后的脉冲光源经光电转换探测器转换为光电流信号；

(3)光电转换后的电信号通过快速模拟开关进行切换，通过脉冲宽度频率测试通道和积分保持通道，分别完成脉冲宽度测试、频率测试及脉冲光积分保持采集，并将测试结果传输给中央处理器；

(4)当峰值模拟信号进入到积分保持模块后，通过步骤(3)反馈给中央处理器的信息判断调节积分保持电路的积分参数，通过积分后的电压值传输给第二程控放大器，经过第二高精度转换AD将积分电压值转换成数字信号，中央处理器根据数字信号的大小实时调节第一程控放大器的档位，重复步骤(3)获得脉冲宽度H、频率f及平均功率P_av；

(5)根据步骤(4)获得的频率f、脉冲宽度H、平均功率P_av，利用中央处理器，按公式：

$P_p=\frac{P_{\mathrm{sv}}}{f\×H}$

求出相应的峰值光功率结果；

(6)显示模块实时显示峰值光功率的测量结果。

优选地，所述步骤(4)中对于已知脉冲宽度H及频率f，可通过中央处理器输入被测信号的频率f和脉冲宽度H，然后直接利用步骤(5)的公式求出峰值光功率值。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的指导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (5)

1.连续窄脉宽激光器峰值光功率的测试装置，其特征在于，包括可控衰减器、光电转换采集电路及中央处理器，所述可控衰减器连接被测脉冲光源的光纤输入接口，可控衰减器连接光电转换采集电路，光电转换采集电路通过现场可编程门阵列FPGA连接中央处理器，中央处理器连接有显示模块；

所述光电转换采集电路包括光电转换探测器及两路并行的脉冲宽度频率测试通道和积分保持通道，脉冲宽度频率测试通道和积分保持通道的起始端均连接有用于切换的模拟开关，终端分别通过现场可编程门阵列FPGA连接中央处理器，中央处理器通过现场可编程门阵列FPGA连通控制脉冲宽度频率测试通道和积分保持通道。

2.根据权利要求1所述的连续窄脉宽激光器峰值光功率的测试装置，其特征在于，所述光电转换探测器与模拟开关之间加装有用于放大光电流的前置放大器。

3.根据权利要求1所述的连续窄脉宽激光器峰值光功率的测试装置，其特征在于，所述脉冲宽度频率测试通道包括依次连通的第一程控放大器、高速A/D转换器；

所述积分保持通道包括依次连通的积分保持电路、第二程控放大器、高精度A/D转换器；

所述中央处理器通过现场可编程门阵列FPGA连通第一程控放大器、高速A/D转换器、积分保持电路、第二程控放大器及高精度A/D转换器。

4.连续窄脉宽激光器峰值光功率的测试装置的测试方法，其特征在于，所述测试方法基于权利要求3所述的连续窄脉宽激光器峰值光功率的测试装置，本测试方法采用如下步骤：

(1)被测脉冲光源通过光纤输入接口输入连续窄脉宽激光器峰值光功率的测试装置，可控衰减器对输入的脉冲光进行固定倍数的衰减；

(2)衰减后的脉冲光源经光电转换探测器转换为光电流信号；

(3)光电转换后的电信号通过快速模拟开关进行切换，通过脉冲宽度频率测试通道和积分保持通道，分别完成脉冲宽度测试、频率测试及脉冲光积分保持采集，并将测试结果传输给中央处理器；

(4)当峰值模拟信号进入到积分保持模块后，通过步骤(3)反馈给中央处理器的信息判断调节积分保持电路的积分参数，通过积分后的电压值传输给第二程控放大器，经过第二高精度转换AD将积分电压值转换成数字信号，中央处理器根据数字信号的大小实时调节第一程控放大器的档位，重复步骤(3)获得脉冲宽度H、频率f及平均功率P_av；

(5)根据步骤(4)获得的频率f、脉冲宽度H、平均功率P_av，利用中央处理器，按公式：

$P_p=\frac{P_{\mathrm{av}}}{f\×H}$

求出相应的峰值光功率结果；

(6)显示模块实时显示峰值光功率的测量结果。

5.根据权利要求4所述的连续窄脉宽激光器峰值光功率的测试装置的测试方法，其特征在于，所述步骤(4)中对于已知脉冲宽度H及频率f，可通过中央处理器输入被测信号的频率f和脉冲宽度H，然后直接利用步骤(5)的公式求出峰值光功率值。