CN105258794A - 极小占空比半导体激光器峰值光功率的测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了极小占空比半导体激光器峰值光功率的测试装置及方法，包括：高速光电转换和前置放大模块，将高速激光脉冲的光信号进行光电转换以及信号的前置放大从而产生高速电脉冲信号；电脉冲信号分别传输至高速脉冲光保持与采样模块及高速脉冲频率及展宽测试模块；高速脉冲光保持与采样模块，对高速电脉冲信号的保持与采样，产生积分保持信号，求出脉冲平均功率并传送至FPGA控制器；高速脉冲频率及展宽测试模块，实现对高速电脉冲信号的频率和脉宽的准确测量，并将测量数据传输至FPGA控制器。本发明能够实现对具有较快上升时间、极小占空比窄脉宽脉冲信号的峰值检测，并且能够实现仪器化。

Description

极小占空比半导体激光器峰值光功率的测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种极小占空比窄脉宽半导体激光器峰值光功率的测试装置及方法。

背景技术

通常将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τ，再用激光能量计测出激光脉冲能量E。然后按P_p＝E/τ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τ，再用激光功率计测出激光平均功率P_avg。然后根据峰值计算公式：

P_peak＝P_avg/(f×τ)

计算激光峰值功率P_peak。基于这种原理的测量方法，由于涉及环节多，目前还没有测量仪器出现。

目前对于上升时间较慢、脉宽较宽的激光脉冲信号，可以通过峰值保持的方法获取激光脉冲的峰值功率。采用此种方法研制的测量仪器也已经出现，但无法实现对有较快上升时间、极小占空比窄脉宽脉冲信号的峰值检测。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。

在现有技术中，论文“大功率高速半导体激光峰值功率测试技术研究”(光电子·激光，第17卷第11期，第1343～1345页，2006年11月)公开了一种基于脉冲展宽与峰值保持原理并且可以直接测量高速脉冲激光峰值功率的方法，使用此方法研制的仪器可以直接显示高速激光峰值功率。该装置能够实现对上升时间10ns、脉宽>50ns高速半导体激光脉冲峰值功率的测量。对上升时间迅速(<5ns)、小占空比窄脉宽激光脉冲信号无法实现峰值功率检测。

目前现有两种脉冲峰值测量方案：(1)测量激光平均功率和脉冲波形,通过计算的方法得到脉冲峰值功率方法，此种方法涉及环节多，目前还无法进行仪器化测量；(2)采用峰值保持的方法研制的激光峰值功率测试装置无法实现对上升时间迅速、小占空比窄脉宽激光脉冲信号的峰值功率检测。

现有技术缺点：

1.现有的脉冲激光峰值功率技术通常采用独立仪器或系统分别测量激光平均功率和脉冲波形，再通过手动计算获得脉冲峰值功率。基于这种原理的测量方法，涉及环节多，无法进行仪器化测量。

2.对于上升时间较慢，脉宽较宽的激光脉冲可以采用峰值保持法来进行测量。但采用峰值保持法研制的装置无法实现对上升时间迅速、小占空比窄脉宽激光脉冲信号的峰值功率检测。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明提出一种极小占空比窄脉宽半导体激光器峰值光功率的装置及方法，能够实现对具有较快上升时间、极小占空比窄脉宽脉冲信号的峰值检测，并且能够将该检测方法设计成相应的测量仪器。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

极小占空比半导体激光器峰值光功率的测试装置，包括：

高速光电转换和前置放大模块，将高速激光脉冲的光信号进行光电转换以及信号的前置放大从而产生高速电脉冲信号；电脉冲信号分别传输至高速脉冲光保持与采样模块及高速脉冲频率及展宽测试模块；

高速脉冲光保持与采样模块，对高速电脉冲信号的保持与采样，产生积分保持信号，求出脉冲平均功率并传送至FPGA控制器；

高速脉冲频率及展宽测试模块，实现对高速电脉冲信号的频率和脉宽的准确测量，并将测量数据传输至FPGA控制器；

FPGA控制及显示模块，包括FPGA控制器及功率显示装置，FPGA控制器根据得到的脉冲平均功率、高速电脉冲信号的频率和脉宽实现对脉冲峰值功率的测量并将测量结果传输至功率显示装置进行显示。

进一步的，高速光电转换和前置放大模块包括依次连接的可调光衰减器、光电探测器及前置放大器。

进一步的，高速脉冲光保持与采样模块包括依次连接的积分保持电路、程控放大器及高精度A/D转换器，积分保持电路的输入端与前置放大器输出端相连，积分保持电路的输出端与放电电路的输入端相连，程控放大器的输出端还与阈值比较模块相连，积分保持电路、程控放大器、高精度A/D转换器、阈值比较模块、时长控制模块分别与FPGA控制器相连，时长控制模块还与放电电路相连。

进一步的，时长控制模块控制放电电路调节信号积分时间，使用阈值比较模块设定的最大、最小门限调节可调衰减器的衰减值以及高速脉冲光保持与采样模块中程控放大器的增益值。

进一步的，高速脉冲频率及展宽测试模块包括相连接的程控放大器及高速A/D转换器，程控放大器及高速A/D转换器之间的线路上还连接有高速比较器，程控放大器、高速比较器分别与FPGA控制器相连，FPGA控制器还与可调光衰减器相连。

进一步的，通过时长控制模块的计时结果触发控制放电电路调节信号积分时间，使用阈值比较模块的双阈值门限比较功能，反馈给FPGA控制器阈值门限状态，FPGA控制器通过设定的最大、最小门限反馈触发信号，来调节可调衰减器的衰减值以及程控放大器的增益值，使用这种双调节方式迅速而有效的调节输入信号到转换电路的最佳线性区。

一种极小占空比半导体激光器峰值光功率的测试方法，包括以下步骤：

步骤一：对高速脉冲的光信号的进行光电转换以及信号的前置放大处理；

步骤二：对步骤一中处理后的信号分两路进行进一步的处理，分别为：对高速脉冲的光信号的保持与采样及对高速脉冲的光信号的频率和脉宽的准确测量；

步骤三：将步骤二中的对高速脉冲的光信号的保持与采样信号及对高速脉冲的光信号的频率和脉宽的准确测量信号分别传送至控制器进行处理，并将控制器处理后得到的脉冲峰值功率的信息进行显示。

进一步的，所述步骤二中，高速脉冲的光信号经过高速脉冲光保持与采样产生积分保持信号，以此求出脉冲平均功率P_avg，对高速脉冲的光信号的频率和脉宽的准确测量得到相应的脉冲信号的频率f和脉宽τ。

进一步的，FPGA控制器中，脉冲峰值功率P_peak的计算公式为：

P_peak＝P_avg/(f×τ)

其中，脉冲平均功率P_avg，脉冲信号的频率f和脉宽τ。

进一步的，高速激光脉冲信号经过高速光电转换和前置放大产生电脉冲信号，经过高速脉冲光保持与采样产生积分保持信号V，并与光电转换的Pin光电二极管的响应率Re和选择的档位的阻值共同求出脉冲平均功率P_avgV/(R×Re)；

利用计数器模块测出脉冲信号的频率f，利用阈值比较器触发高速时钟脉宽测量单元求出τ，通过公式P_peak＝P_avg/(f×τ)在FPGA控制及显示模块(4)部分求出脉冲峰值功率P_peak。

本发明的有益效果：

本发明通过高速脉冲光保持与采样模块中程控放大器的增益控制与高速光电转换和前置放大模块中可调光衰减器的衰减调节，可以实现对不同峰值强度、不同周期、不同脉宽的放大和滤波档位自动切换控制。通过时长控制模块控制放电电路调节信号积分时间，使用阈值比较模块设定的最大、最小门限调节可调衰减器的衰减值以及程控放大器的增益值，使用这种双调节方式可以迅速而有效的调节输入信号到转换电路的最佳线性区，以此保证峰值光功率的准确性。

本发明可以实现对不同峰值强度、不同周期、极小占空比脉冲的放大，同时具备滤波档位自动切换、积分时间可调等控制模块，使得输入信号能在转换电路的最佳线性区和最佳积分时间内完成测量，保证峰值光功率的准确性。能够实现对具有较快上升时间、极小占空比窄脉宽脉冲信号的峰值检测，并且能够实现仪器化。

附图说明

图1半导体激光器峰值光功率的测试装置系统功能框图；

图中，1、高速光电转换和前置放大模块，2、高速脉冲光保持与采样模块，3、高速脉冲频率及展宽测试模块，4、FPGA控制及显示模块。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示，本发明提出一种半导体激光器峰值光功率的测试装置及方法，其中装置主要由高速光电转换和前置放大模块(1)、高速脉冲光保持与采样模块(2)、高速脉冲频率及展宽测试模块(3)、FPGA控制及显示模块(4)等模块组成。

高速激光脉冲经过高速光电转换和前置放大模块(1)，实现了高速脉冲的光信号的光电转换以及信号的前置放大，经前置放大后的电脉冲信号分别经过高速脉冲光保持与采样模块(2)和高速脉冲频率及展宽测试模块(3)。其中高速脉冲光保持与采样模块(2)实现对高速电脉冲的保持与采样，在不使用模拟开关MOS管、二级管等器件的条件下，采用一种全新的开关积分稳定保持电路，保证了积分信号的稳定性和积分时间可控性；高速脉冲频率及展宽测试模块(3)实现对电脉冲光的频率和脉宽的准确测量。最后将获取的积分信号和频率及脉宽信号输入到FPGA控制及显示模块(4)实现时序及逻辑控制并计算出脉冲峰值功率进行显示。

本发明的激光脉冲峰值功率测试方法：高速激光脉冲信号经过高速光电转换和前置放大模块(1)产生电脉冲信号经过高速脉冲光保持与采样模块(2)产生积分保持信号V，并与光电转换的Pin光电二极管的响应率Re和选择的档位的阻值共同求出脉冲平均功率P_avgV/(R×Re)，经过高速脉冲频率及展宽测试模块(3)，利用高速脉冲频率及展宽测试模块(3)的计数器模块测出脉冲信号的频率f，利用阈值比较器触发高速时钟脉宽测量单元求出τ，通过公式P_peak＝P_avg/(f×τ)在FPGA控制及显示模块(4)部分求出脉冲峰值功率P_peak。

本发明通过高速脉冲光保持与采样模块(2)中程控放大器的增益控制与高速光电转换和前置放大模块(1)中可调光衰减器的衰减调节，可以实现对不同峰值强度、不同周期、不同脉宽的放大和滤波档位自动切换控制，使得输入信号能在转换电路的最佳线性区，保证测量准确度。通过时长控制模块的计时结果触发控制放电电路调节信号积分时间，使用阈值比较模块的双阈值门限比较功能，反馈给主控模块阈值门限状态，主控模块通过设定的最大、最小门限反馈触发信号，来调节可调衰减器的衰减值以及程控放大器的增益值，使用这种双调节方式可以迅速而有效的调节输入信号到转换电路的最佳线性区，以此保证峰值光功率的准确性。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.极小占空比半导体激光器峰值光功率的测试装置，其特征是，包括：

高速光电转换和前置放大模块，将高速激光脉冲的光信号进行光电转换以及信号的前置放大从而产生高速电脉冲信号；电脉冲信号分别传输至高速脉冲光保持与采样模块及高速脉冲频率及展宽测试模块；

高速脉冲光保持与采样模块，对高速电脉冲信号的保持与采样，产生积分保持信号，求出脉冲平均功率并传送至FPGA控制器；

高速脉冲频率及展宽测试模块，实现对高速电脉冲信号的频率和脉宽的准确测量，并将测量数据传输至FPGA控制器；

FPGA控制及显示模块，包括FPGA控制器及功率显示装置，FPGA控制器根据得到的脉冲平均功率、高速电脉冲信号的频率和脉宽实现对脉冲峰值功率的测量并将测量结果传输至功率显示装置进行显示。

2.如权利要求1所述的极小占空比半导体激光器峰值光功率的测试装置，其特征是，高速光电转换和前置放大模块包括依次连接的可调光衰减器、光电探测器及前置放大器。

3.如权利要求1所述的极小占空比半导体激光器峰值光功率的测试装置，其特征是，高速脉冲光保持与采样模块包括依次连接的积分保持电路、程控放大器及高精度A/D转换器，积分保持电路的输入端与前置放大器输出端相连，积分保持电路的输出端与放电电路的输入端相连，程控放大器的输出端还与阈值比较模块相连，积分保持电路、程控放大器、高精度A/D转换器、阈值比较模块、时长控制模块分别与FPGA控制器相连，时长控制模块还与放电电路相连。

4.如权利要求1所述的极小占空比半导体激光器峰值光功率的测试装置，其特征是，时长控制模块控制放电电路调节信号积分时间，使用阈值比较模块设定的最大、最小门限调节可调衰减器的衰减值以及高速脉冲光保持与采样模块中程控放大器的增益值。

5.如权利要求1所述的极小占空比半导体激光器峰值光功率的测试装置，其特征是，高速脉冲频率及展宽测试模块包括相连接的程控放大器及高速A/D转换器，程控放大器及高速A/D转换器之间的线路上还连接有高速比较器，程控放大器、高速比较器分别与FPGA控制器相连，FPGA控制器还与可调光衰减器相连。

6.如权利要求1所述的极小占空比半导体激光器峰值光功率的测试装置，其特征是，通过时长控制模块的计时结果触发控制放电电路调节信号积分时间，使用阈值比较模块的双阈值门限比较功能，反馈给FPGA控制器阈值门限状态，FPGA控制器通过设定的最大、最小门限反馈触发信号，来调节可调衰减器的衰减值以及程控放大器的增益值，使用这种双调节方式迅速而有效的调节输入信号到转换电路的最佳线性区。

7.极小占空比半导体激光器峰值光功率的测试方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一：对高速脉冲的光信号的进行光电转换以及信号的前置放大处理；

步骤二：对步骤一中处理后的信号分两路进行进一步的处理，分别为：对高速脉冲的光信号的保持与采样及对高速脉冲的光信号的频率和脉宽的准确测量；

步骤三：将步骤二中的对高速脉冲的光信号的保持与采样信号及对高速脉冲的光信号的频率和脉宽的准确测量信号分别传送至控制器进行处理，并将控制器处理后得到的脉冲峰值功率的信息进行显示。

8.如权利要求7所述的极小占空比半导体激光器峰值光功率的测试方法，其特征是，所述步骤二中，高速脉冲的光信号经过高速脉冲光保持与采样产生积分保持信号，以此求出脉冲平均功率P_avg，对高速脉冲的光信号的频率和脉宽的准确测量得到相应的脉冲信号的频率f和脉宽τ。

9.如权利要求8所述的极小占空比半导体激光器峰值光功率的测试方法，其特征是，FPGA控制器中，脉冲峰值功率P_peak的计算公式为：

P_peak＝P_avg/(f×τ)

其中，脉冲平均功率P_avg，脉冲信号的频率f和脉宽τ。

10.如权利要求9所述的极小占空比半导体激光器峰值光功率的测试方法，其特征是，高速激光脉冲信号经过高速光电转换和前置放大产生电脉冲信号，经过高速脉冲光保持与采样产生积分保持信号V，并与光电转换的Pin光电二极管的响应率Re和选择的档位的阻值共同求出脉冲平均功率P_avgV/(R×Re)；

利用计数器模块测出脉冲信号的频率f，利用阈值比较器触发高速时钟脉宽测量单元求出τ，通过公式P_peak＝P_avg/(f×τ)求出脉冲峰值功率P_peak。