CN105606213A

CN105606213A - 一种激光微脉冲峰值功率测试装置

Info

Publication number: CN105606213A
Application number: CN201510887704.XA
Authority: CN
Inventors: 樊宪唐; 赵晓霞; 李金全
Original assignee: Luoyang Institute of Electro Optical Equipment AVIC
Current assignee: Luoyang Institute of Electro Optical Equipment AVIC
Priority date: 2015-12-05
Filing date: 2015-12-05
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2035-12-05
Also published as: CN105606213B

Abstract

一种激光微脉冲峰值功率测试装置，其特征在于，包括光电转换电路以及信号处理电路，以及连接于光电转换电路前端用于消除像差、减小焦斑尺寸的光学汇聚模块。本发明提供的一种激光微脉冲峰值功率测试装置，其特征在于，通过光学汇聚模块将探测到的激光汇聚成为一个光斑点，然后再通过光电转换模块转换成为电流信号，然后再进行后续转换计算,能够很好的适应这种低频、窄脉宽形式的脉冲激光峰值功率测试。

Description

一种激光微脉冲峰值功率测试装置

技术领域

本发明涉及一种激光微脉冲峰值功率测试装置，尤其涉及一种基于快速响应光电探测器的低频窄脉宽微脉冲激光峰值功率的测试。

背景技术

目前市面常见的激光微功率计工作模式为：热电推式探测器、热释电式探测器和光电式探测器和半导体光电二极管式探测器几种。常见的能量检测法为光热法及光电法。由于光电二极管测量的动态范围大，测量速度块能实时反映信号的包络变化，被广泛应用于光电探测和激光脉冲能量的测量方面。但光电探测器光敏面大响应时间长只能用于连续光或准连续光的测量的，小光敏面响应速度快，光学汇聚系统设计装调合后续采集电路难度大。在对低频激光微脉冲峰值功率的测试中，对小功率信号直接进行测试的话，不能够很好的适应这种低频、窄脉宽形式的脉冲激光峰值功率测试，亟需一种技术方案提供一种适用于低频窄脉宽脉冲激光峰值功率测试的装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于低频窄脉宽脉冲激光峰值功率测试的装置，用于解决现有技术中对低频窄脉宽脉冲激光峰值功率测试时没有进行光学汇聚的技术问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

一种激光微脉冲峰值功率测试装置，包括光电转换电路以及信号处理电路，以及连接于光电转换电路前端用于消除像差、减小焦斑尺寸的光学汇聚模块。

优选的，光学汇聚模块是三片式分离复合的光学系统。

进一步的，所述三片式分离复合结构的光学系统的三片透镜镜片采用A+A+B结构方式，所述A透镜的凸面半径为600mm，凹面半径为无穷大；所述B透镜的凸面半径685mm，凹面半径为588mm；两个种透镜的外径均为170mm，且结构方式为两A透镜凹面朝向一致，位于中间的A透镜与B透镜的凹面相对。

进一步的，所述光电转换电路包括光电转换模块、多级放大电路、功率峰值保持电路。

进一步的，所述多级放大电路是由一级跨阻放大器、二级跨阻放大器串联构成的二级放大电路。

进一步的，所述光电转换模块连接于所述一级跨阻放大器的输入端。

进一步的，所述二级跨阻放大器输出端连接有接地电容，同时接地电容与输出端连接的位置还接有二极管的阴极，二极管的阳极连接二级跨阻放大器的电源正端，所述二极管和电容构成功率峰值保持电路。

进一步的，所述光电转换模块采用激光微功率探测用探测器，所述装置对探测器系统进行二次恒温封装。

进一步的，所述功率峰值保持电路，由多级放大滤波电路、峰值保持电路，高速A/D转换电路组成。

进一步的，信号处理电路采用AD7928作为数据采集芯片，通过SPI总线与中央控制器进行数据通信，外部采用AD780AR作为电压基准。

本发明提供的一种激光微脉冲峰值功率测试装置，通过光学汇聚模块将探测到的激光汇聚成为一个光斑点，然后再通过光电转换模块转换成为电流信号，然后再进行后续转换计算,能够很好的适应这种低频、窄脉宽形式的脉冲激光峰值功率测试。

同时，多级放大电路将高速光电探测器采集到的激光微脉冲信号进行无失真的放大和保持，通过改变加载到光路中的能量衰减片拉力扩展激光微脉冲峰值功率的动态范围，能够准备测量激光测距机接收组件的探测灵敏度，有利于远程机载激光测距机测程的准确推算，降低设计测试难度。

附图说明

图1是激光微脉冲峰值功率测试装置的整体结构图；

图2是光学系统结构；

图3是A透镜的结构参数图；

图4是B透镜的结构参数图；

图5是1.064μm焦斑情况图；

图6是1.57μm焦斑情况图；

图7是一级跨阻放大器原理图；

图8是二级跨阻放大器原理图；

图9是峰值采集和保持电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

本发明提供一种适用于低频窄脉宽微脉冲激光峰值功率测试的激光微脉冲峰值功率测试装置，包括顺次连接的光学汇聚模块、光电转换电路以及中央处理模块，具体如图1所示。

从图1中可以看出，激光微脉冲峰值功率测试装置包括大口径光学汇聚模块、光电转换电路和中央处理模块，大口径光学汇聚模块是一种三片式分离复合结构的光学系统，用以消除像差、减小焦斑的尺寸。具体的，如图2所示，三片透镜采用的是A+A+B结构，两个A透镜的凹面朝向一致，居于中间的A透镜凹面与居于最后的B透镜凹面相对，A透镜与B透镜的具体结构尺寸分别如图3和图4所示。更加两个A透镜和B透镜的参数计算可知，该三片式分离复合结构光学系统的焦距为600mm，焦斑的直径小于40μm，如图5所示，光斑的均方根半径RMSRADIUS为10.977μm，如图6所示光斑的GEO半径GEORADIUS为20.276μm，图中标尺长度为100μm，很显然，焦斑的直径小于50μm。

其中，光电转换模块采用激光微功率探测用探测器，为了减小温度对测试精度的影响，该装置对探测器系统进行了二次恒温封装。

当然，作为其他实施方式，光学汇聚系统还可以采用其他模式，只要能够起到消除像差、减小焦斑尺寸的作用即可。

光学系统聚焦产生的光斑照射在光电转换电路的光电模块上，将光信号转换为电信号，进而将该电信号进行处理后传输到中央处理模块进行处理。在这里，光电转换模块是设置于一级放大电路上的高速光电探测器D1。如图7所示，三极管Q1的集电极连接+5V电压源，发射极接地，其基极连接三极管Q2的集电极，三极管Q2的发射极接地，基极通过串联稳压二极管D2、高速光电探测器D1后连接到+12V电压源，其中稳压二极管D2的阳极连接三极管Q2的基极，D2的阴极连接高速光电探测器D1的阳极，在这里三极管Q1是PNP型、三极管Q2是NPN型；电阻R2连接高速光电探测器D1的阴极和三极管Q1的发射极，从而构成跨阻放大器，把电流信号转换为电压信号后在三极管Q1的发射极通过电容C1输出。

如图8所示，是本发明中的二级放大器，二极管Q3的发射极通过电阻R3连接+5V电压源，其集电极接地，基极连接三极管Q4的集电极，三极管Q4的发射极接地，基极通过稳压二极管D4和电阻R4连接一级跨阻放大器的输出电压信号，稳压二极管D4的阴极连接电阻R4，阳极连接三极管Q4的基极；连接于电阻R4和稳压二极管D4串接点的电阻R5与连接于三极管Q3发射极的二极管D3相连后通过电容C2接地，从二极管D3和电阻R5的并联节点输出增益电压信号；其中二极管D3的阴极连接并联节点，阳极连接三极管Q3的发射极，三极管Q3是PNP型三极管，三极管Q4是NPN型三极管。二级放大电路是一个由电阻R5构成的二级跨阻放大电路，进行电压放大，增益大小由R4、R5决定：Vo＝Vin*R5/R4，需要说明的是，同时二极管D3和电容C2还构成峰值保持电路。

转换后的光信号经过一级放大电路和二级放大电路放大后送入功率峰值保持和采集模块，功率峰值保持和采集模块的具体电路结构如图9所示。

对探测器探测到的信号进行放大、滤波、保持和AD转换后，将处理完成的信号送入到信号处理电路中，最终送入到中央处理模块进行处理，中央处理模块是一个控制计算机。信号处理电路采用AD7928作为数据采集芯片，通过SPI总线与中央控制器进行数据通信，外部采用AD780AR作为电压基准；将采集的数据信息进行处理，时时显示激光脉冲信号的峰值功率信息，配合成套激光衰减片能满足宽功率范围、低频、窄脉宽激光脉冲峰值功率的准确测试。控制计算机接收到光电探测器经过放大和保持的电压信号后，根据输入的激光波长，调用探测器的归一化响应度，得到系统的测试功率，结合衰减器的衰减倍数，得到激光照射器的实际功率。功率测量部分主要包括波长选择、功率显示、单位切换、响应度显示和衰减量设置等。脉冲测量部分主要由档位选择、示波界面和结果输出等组成，用户通过示波界面中的标尺，选定相应的波形范围，由系统进行测量后，根据选择的相应档位将结果实时的显示出来。下面对具体的计算过程做出详细说明：

根据系统设计，系统由3块镜片组成，共有6个面，假设镀膜后的透过率均为97％以上，则到达探测器的光功率约为

1×(0.97)⁶＝0.833μW

根据InGaAs探测器的响应曲线，在1064nm处探测器的响应度为0.6A/W，则产生的光电流大小为：

I＝0.6*0.833＝0.5μA

激光信号的脉宽为10～30ns，则对于脉宽为10ns的激光信号，将其转化为电荷时，可以用如下公式计算：

Q＝I·t＝0.5×10×10^-9＝5×10^-9

假设现在所用探测器的电容为40pf，则对于脉宽为10ns的激光信号，加载到探测器电容上的电压可以用如下公式计算：

U = \frac{Q}{c} = \frac{5 \times 10^{- 9}}{40 \times 10^{- 12}} = 0.125 m V

通常情况下，探测器的前置放大器就可以轻松的实现对μV量级信号的放大。

根据实际使用要求，激光的脉宽范围为10～50ns(带宽为10-50MHz)，因此可以选择放大器的带宽为5～80MHz；根据已知，探测器噪声的小功率为则探测器的噪声电流可以用下述公式计算出来：

I_{N} = {&Integral;}_{\sqrt{f_{1}}}^{\sqrt{f_{2}}} N E P \cdot d \sqrt{f} = 6 \times 10^{- 15} \times (7.07 \times 10^{- 3} - 3.16 \times 10^{- 3}) = 23.46 p A

从上述计算结果可以看出，噪声电流的大小为23.46pA，远远小于激光信号产生的光电流0.5μA。

根据目前衰减片的制作工艺水平，最大可以达到120dB的衰减倍数，从而能够使得激光微脉冲峰值功率的测试范围大大扩展，因此，对于大功率激光信号，完全可以将其进行衰减探测，对小功率信号可以进行直接探测，而本发明提出的增加光学汇聚模块，将小信号汇聚成点光源进行间接探测的发明，能够使得测试效果更加良好。

以上给出了本发明具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种激光微脉冲峰值功率测试装置，其特征在于，包括光电转换电路以及信号处理电路，以及连接于光电转换电路前端用于消除像差、减小焦斑尺寸的光学汇聚模块。

2.根据权利要求1所述的一种激光微脉冲峰值功率测试装置，其特征在于，所述光学汇聚模块是三片式分离复合的光学系统。

3.根据权利要求1所述的一种激光微脉冲峰值功率测试装置，其特征在于，所述三片式分离复合结构的光学系统的三片透镜镜片采用A+A+B结构方式，所述A透镜的凸面半径为600mm，凹面半径为无穷大；所述B透镜的凸面半径685mm，凹面半径为588mm；两个种透镜的外径均为170mm，且结构方式为两A透镜凹面朝向一致，位于中间的A透镜与B透镜的凹面相对。

4.根据权利要求1所述的一种激光微脉冲峰值功率测试装置，其特征在于，所述光电转换电路包括光电转换模块、多级放大电路、功率峰值保持电路。

5.根据权利要求4所述的一种激光微脉冲峰值功率测试装置，其特征在于，所述多级放大电路是由一级跨阻放大器、二级跨阻放大器串联构成的二级放大电路。

6.根据权利要求5所述的一种激光微脉冲峰值功率测试装置，其特征在于，所述光电转换模块连接于所述一级跨阻放大器的输入端。

7.根据权利要求5所述的一种激光微脉冲峰值功率测试装置，其特征在于，所述二级跨阻放大器输出端连接有接地电容，同时接地电容与输出端连接的位置还接有二极管的阴极，二极管的阳极连接二级跨阻放大器的电源正端，所述二极管和电容构成功率峰值保持电路。

8.根据权利要求4所述的一种激光微脉冲峰值功率测试装置，其特征在于，所述光电转换模块采用激光微功率探测用探测器，所述装置对探测器系统进行二次恒温封装。

9.根据权利要求4所述的一种激光微脉冲峰值功率测试装置，其特征在于，所述功率峰值保持电路，由多级放大滤波电路、峰值保持电路，高速A/D转换电路组成。

10.根据权利要求1所述的一种激光微脉冲峰值功率测试装置，其特征在于，信号处理电路采用AD7928作为数据采集芯片，通过SPI总线与中央控制器进行数据通信，外部采用AD780AR作为电压基准。