CN116540318A - 面向毫赫兹频段激光强度噪声抑制的低噪声光电探测器及测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学实验设备的技术领域，其公开了一种面向毫赫兹频段激光强度噪声抑制的低噪声光电探测器及测试系统。其中光电探测器要基于低噪声电压基准作为光电二极管的稳定偏压，采用低暗电流光电二极管，并设计相关外围电路及电磁屏蔽，结合低温漂系数元件、低噪声供电系统以及隔热等技术手段实现了低噪声光电探测器的研制，减小了传统探测器引入的元器件噪声直接影响探测的精度与稳定性。在测试系统中利用高精度数字万用表进行探测器电子学噪声电压的测试与数据采集，用快速傅里叶变换周期图法以及对数轴功率谱密度法将采集的数据进行计算处理，在8 mW激光入射时，探测器抬高为40 dB，为引力波探测中激光强度噪声抑制提供关键器件支撑。
Description
技术领域
本发明属于光学实验设备的技术领域，具体涉及一种面向毫赫兹频段激光强度噪声抑制的低噪声光电探测器及测试系统。
背景技术
引力波探测是现代物理学重要的前言领域之一，空间引力波探测主要面向0.1mHz～1.0 Hz频段范围的引力波信号，这些信号主要是由双致密星系统以及极大质量比双黑洞天体并合等天文事件释放的引力波信号，与地基引力波、原初引力波等探测手段形成互补探测方案。空间引力波探测主要通过在多个卫星中搭建高精度空间惯性基准载荷超稳平台以及通过高精度星间激光干涉测量为核心技术，包括无拖曳控制技术、超高精度星间激光干涉测量技术、超高灵敏度惯性传感技术、精密编队技术、微牛级电推技术等等，其中星载激光系统的激光光源噪声则直接影响超高精度星间激光干涉测量技术的灵敏度，所以需要对激光强度噪声进行抑制，然而现阶段激光强度噪声无法在空间引力波探测全频段低于满足引力波所需的1×10-4/Hz要求，所以需要对激光强度噪声进行抑制，以便减少激光光源噪声对引力波信号探测的影响。
目前，抑制激光光源强度噪声常用的方法有被动模式清洁器抑制噪声、激光注入锁定抑制噪声、基于半导体光放大增益饱和效应、主动光电负反馈法抑制噪声等。模式清洁器的强度噪声抑制效果体现在高频，对引力波探测所需要抑制的低噪声反而有放大效果，无法满足实验要求；在激光注入锁定抑制噪声技术中只有在种子激光器和从属激光器共振频率附近才会出现可观的噪声抑制效果，低频部分抑噪效果有限，同样无法满足引力波探测的要求；而基于半导体光放大增益饱和效应来抑制噪声也无法排除因相应能级载流子浓度变化引入的低频噪声，所以也不适用于引力波信号探测。
相比于其他强度噪声抑制方案，采用主动光电负反馈法是进行低频段激光强度噪声抑制的有效技术手段，其原理是利用光电探测器探测待稳定激光，并将其转化成电信号，然后与稳定的基准电压源进行比较获取误差信号，之后经伺服系统输出反馈信号，并作用于泵浦源的驱动电路，通过改变泵浦电流实现对激光器增益的调节，从而抑制强度噪声。这其中低噪声光电探测器作为首要光电信号转换器件，其噪声性能直接影响后续反馈回路的信噪比，所以为了提高反馈控制抑制噪声的精度及增益，首先需要降低光电探测器的电子学噪声，并拓展探测器动态范围。其噪声水平直接影响后续光电反馈的最终效果。
因此，为了提高测量精度以及激光噪声抑制水平，现亟需设计一款高稳定性、高增益、低噪声、使用便捷的集成低噪声探测器。
发明内容
针对上述背景技术中关于在抑制激光光源强度噪声研究中现有光电探测器存在高噪声、稳定性差、使用繁琐等诸多弊端，同时也为了进一步提高测量精度以及激光噪声抑制水平。本发明基于低噪声电压基准作为光电二极管的稳定偏压，采用低暗电流光电二极管，并设计相关外围电路及电磁屏蔽，结合低温漂系数元件、低噪声供电系统以及隔热等技术手段实现了低噪声光电探测器的研制。由于mHz以及更低频段无法用现有频谱分析仪进行噪声分析，我们利用高精度数字万用表进行探测器电子学噪声电压的测试与数据采集，用快速傅里叶变换周期图法以及对数轴功率谱密度法将采集的数据进行计算处理，得到0.1 mHz-1 Hz频段的电压噪声谱密度。为此，本发明提供了一种面向低频段激光强度噪声抑制的低噪声光电探测器及测试系统。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：面向低频段激光强度噪声抑制的光电探测器，其中光电探测器包括分别集成到同一电路板上的电压基准模块、光电转换模块、信号采集模块，所述电压基准模块包括有电压基准芯片和第一运算放大器，+15V电压通过输入连接器与电压基准芯片的引脚2相连接，第一滤波电容和第二滤波电容的一端分别接地，其两者的另一端分别与电压基准芯片的引脚2相连接，低噪声电源经过第一滤波电容和第二滤波电容为电压基准芯片供电，使得+15V电压更为稳定，所述第一运算放大器的同相输入端引脚3接地，电压基准芯片的引脚6通过第一输入电阻与第一运算放大器反相输入端引脚2相连接，第一反馈电阻跨接在第一运算放大器的反相输入端引脚2与输出端引脚6之间，光电转换模块包括有光电二极管和第二运算放大器，所述光电二极管的阴、阳极分别与第一运算放大器的输出端引脚6、第二运算放大器的反相输入端引脚2相连接，第二运算放大器的同相输入端引脚3接地，在第二运算放大器的反相输入端引脚2与其输出端引脚6之间并联有金属箔电阻和反馈电容，所述信号采集模块包括有第三运算放大器，第三运算放大器的同相输入端引脚3与第二运算放大器的输出端引脚6相连接，在第三运算放大器的反相输入端引脚2与其输出端引脚6之间跨接有第二反馈电阻，阻抗匹配电阻的两端分别与第三运算放大器的输出端引脚6、输出连接器相连接，在第一运算放大器、第二运算放大器以及第三运算放大器的引脚7与引脚4分别与经滤波后的+15V和-15V电源连接。
作为上述技术方案的进一步解释及限定，所述电压基准芯片的型号为基准芯片MAX6350，第一运算放大器的型号为反向放大芯片AD8671，第二运算放大器的型号为跨阻放大芯片AD797，第三运算放大器的型号为芯片AD797，光电二极管的型号为C30642。
作为上述技术方案的进一步解释及限定，所述输入连接器和输出连接器分别采用LEMO接头。
作为上述技术方案的进一步解释及限定，所述电路板采用双面板并且双面铺地，信号线与电源线之间地隔离。
作为上述技术方案的进一步补充说明，所述电路板设置在在铝质金属壳内，其用于抗电磁干扰。
一种应用上述技术方案中面向低频段激光强度噪声抑制的光电探测器的测试系统，其包括有全固态单频激光器且其输出自由空间传输的1064 nm激光作为种子光，还包括分别设置在种子光传输线路上的隔离器、二分之一波片与偏振分束棱镜，种子光通过二分之一波片与偏振分束棱镜组合改变光功率大小后经衰减片进行衰减入射光的能量，衰减后的种子光再经过高反镜将其沿60°打入到光电探测器的光电二极管上进行测试光电探测器的响应度，光电探测器的输出端分两路，且一路连接示波器用于观测光电探测器的电压示数，另一路通过高精度数字万用表并连接在计算机上，其中高精度数字万用表用于在无光条件下光电探测器的电子学噪声，计算机用于实时检测光电探测器的测试数据。
作为上述技术方案的进一步解释及限定，所述高精度数字万用表为吉时利3706A数字万用表。
与现有技术相比，本发明所设计的光电探测器具有以下优点：
1、本发明提供的光电探测器，主要由电压基准模块，光电转换模块，信号采集模块集成到电路板一体成型；各个模块使用低温漂运放，低偏差电阻，高精度电容，减小了传统探测器引入的元器件噪声直接影响探测的精度与稳定性。
2、本发明在光电探测器的电压基准模块电路设计中，低噪声电源经过滤波电容C1和C2为基准芯片供电，使+15V电压更为稳定，基准芯片使用低噪声、低失调电压MAX6350作为稳定的基准芯片，输出电阻R1为470K，反馈电阻R2为470K，反向比例放大电路使用低噪声、高精密、低输入偏置电流AD8671连接经过滤波后的±15V电源，使其工作更加稳定，并通过电阻R1和R2将+5V电压转变为-5V电压，为光电二极管提供稳定的偏置电压。
3、本发明在光电探测器的光电转换模块电路设计中，光电二极管PD选用极低结电容、高响应度的光电二极管（Excelitas公司的低噪声光电二极管C30642），光电二极管低的结电容有利于增加跨阻放大电路的带宽，高响应度在相同光功率下能实现高的信噪比，跨阻放大电路选用超低失真、超低噪声的跨阻放大芯片AD79，跨阻放大芯片AD797连接经过滤波后的±15V电源，跨阻放大电路并联金属箔电阻和反馈电容，电容具有提高信号质量，减少自激振荡的作用。跨阻放大电路将光电二极管采集的电流信号经过反馈电阻转换为电压信号，输入到下一级以便采集处理。
4、本发明在光电探测器的信号采集模块电路设计中，信号采集模块电路主要由跟随电路和阻抗匹配组成，跟随芯片AD797通过反馈电阻R4与输出电阻R5改变阻抗匹配值，与外部仪器进行连接。
5、本发明提供的探测器，使用硬铝材料设计外壳，为探测器进行电磁屏蔽，进一步增强了探测器整体的稳定性，有效保证了实验的精度。
6、本发明提供的探测器噪声实现了在空间引力波探测频段（0.1 mHz-1Hz）探测器电子学噪声低于1×10-4 V/Hz1/2，在8 mW激光入射光电二极管时，实验结果表明探测器抬高为40 dB，为引力波探测中激光强度噪声抑制提供关键器件支撑。
7、本发明提供的探测器噪声性能均小于相应引力波探测中对激光强度噪声要求。
附图说明
图1为本发明中光电探测器的电路结构图；
图2为本发明中电压基准模块的电路原理图；
图3为本发明中光电转换模块的电路原理图；
图4为本发明中信号采集模块的电路原理图；
图5为本发明光电探测器的测试系统图；
图6为高精度万用表电子学噪声谱时域波动分析图；
图7为利用对数轴功率谱密度算法（logarithmic frequency axis powerspectral density)，简称LPSD）算法得到的噪声功率谱结果图；
图8为探测器电子学噪声时域数据结果图；
图9为利用LPSD算法得到的噪声功率谱结果图。
图中：光电探测器的电路结构包括：电压基准模块1，光电转换模块2，信号采集模块3；
电压基准模块的电子元件包括：电压基准芯片101，第一运算放大器102，第一滤波电容103，第二滤波电容104，第一输入电阻 105，第一反馈电阻106；
光电转换模块的电子元件包括：光电二极管201，第二运算放大器202，金属箔电阻203，反馈电容204；
信号采集模块的电子元件包括：第三运算放大器301，第二反馈电阻302，阻抗匹配电阻303。
光电探测器的测试系统包括：全固态单频激光器4，隔离器5，二分之一波片6，偏振分束棱镜7，衰减片8，高反镜9，光电探测器10，示波器11，高精度数字万用表12，计算机13。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明的技术方案，下面结合附图1至9，通过最优实施例对本发明进行进一步详细说明。
如附图1至4所示，面向低频段激光强度噪声抑制的光电探测器，包括有光电探测器10，其包括分别集成到同一电路板上的电压基准模块1、光电转换模块2、信号采集模块3，该电路板整体设置在在铝质金属壳内，用来抗电磁干扰。且上述电路板采用双面板并且双面铺地，信号线与电源线之间地隔离。
上述电压基准模块1包括有电压基准芯片101和第一运算放大器102，+15V电压通过输入连接器与电压基准芯片101的引脚2相连接，第一滤波电容103和第二滤波电容104的一端分别接地，其两者的另一端分别与电压基准芯片101的引脚2相连接，低噪声电源经过第一滤波电容103和第二滤波电容104为电压基准芯片101供电，使得+15V电压更为稳定，所述第一运算放大器102的同相输入端引脚3接地，电压基准芯片101的引脚6通过第一输入电阻 105与第一运算放大器102反相输入端引脚2相连接，第一反馈电阻106跨接在第一运算放大器102的反相输入端引脚2与输出端引脚6之间，光电转换模块2包括有光电二极管201和第二运算放大器202，所述光电二极管201的阴、阳极分别与第一运算放大器102的输出端引脚6、第二运算放大器202的反相输入端引脚2相连接，第二运算放大器202的同相输入端引脚3接地，在第二运算放大器202的反相输入端引脚2与其输出端引脚6之间并联有金属箔电阻203、反馈电容204，所述信号采集模块3包括有第三运算放大器301，第三运算放大器301的同相输入端引脚3与第二运算放大器202的输出端引脚6相连接，在第三运算放大器301的反相输入端引脚2与其输出端引脚6之间跨接有第二反馈电阻302，阻抗匹配电阻303的两端分别与第三运算放大器301的输出端引脚6、输出连接器相连接，在第一运算放大器102、第二运算放大器202以及第三运算放大器301的引脚7与引脚4分别与经滤波后的+15V和-15V电源连接。
进一步，作为上述实施例的优选实施方式，所述电压基准芯片101的型号为基准芯片MAX6350，第一运算放大器102的型号为反向放大芯片AD8671，第二运算放大器202的型号为跨阻放大芯片AD797，第三运算放大器301的型号为芯片AD797，光电二极管201的型号为C30642。上述实施例中，滤波电容C1为2.2μF，滤波电容C2为100nF，电阻R1为470K，反馈电阻R2为470K，反馈电阻R3选用1K的金属箔电阻；反馈电容C3选用82pF的低误差电容，反馈电阻R4为100Ω，输出电阻R5为50Ω.
进一步，作为上述实施例的优选实施方式，所述输入连接器和输出连接器分别采用LEMO接头。
如附图5所示，一种应用上述技术方案中面向低频段激光强度噪声抑制的光电探测器的测试系统，其包括有全固态单频激光器4且其输出自由空间传输的1064 nm激光作为种子光，还包括分别设置在种子光传输线路上的隔离器5、二分之一波片6与偏振分束棱镜7，种子光通过二分之一波片6与偏振分束棱镜7组合改变光功率大小后经衰减片8进行衰减入射光的能量，衰减后的种子光再经过高反镜9将其沿60°打入到光电探测器10的光电二极管201上进行测试光电探测器10的响应度，光电探测器10的输出端分两路，且一路连接示波器11用于观测光电探测器10的电压示数，另一路通过高精度数字万用表12并连接在计算机13上，其中高精度数字万用表12用于在无光条件下光电探测器10的电子学噪声，计算机13用于实时检测光电探测器10的测试数据。
所述高精度数字万用表12为吉利时3706A数字万用表。需要说明的是该数字万用表配套吉利时3720-ST采集卡采集电压信号。孔径时间（NPLC）是商用高精度万用表的重要参数之一，其值影响着采集的精度和最高采样率，在本文数据采集中，通过LabVIEW软件编程设置3706A的工作参数，包括设置NPLC为1等，此时其采集精度为七位半（相当于25 bit），并设置采样率为2 S/s进行数据采集，LabVIEW软件可按照采样率将数据存储到硬盘保存并可做实时分析。
为了保证极低频段激光强度噪声的准确性，首先需要对信号采集部件进行测试，判断其是否满足探测器的实验测试要求，即对高精度数字万用表仪器本底噪声进行测量，将采集卡正负极进行短接，使用高精度万用表电压采集功能进行数据采集，得到的电压噪声为时域噪声信息，之后通过LPSD(logarithmic frequency axis power spectraldensity)算法进行谱密度分析，得到时域波动和频域噪声信息，从而实现对电压噪声的全面分析。
实验结果如图6至7所示，由图6可知，其电压漂移峰峰值为1×10-6 V；由图7可知，由LPSD算法处理结果可知万用表电子学噪声在0.1 mHz-1 Hz范围内低于4.16×10-7 V/Hz1/2，此噪声水平远低于电路中各电子元件理论上的输出电压噪声，所以可选用此万用表作为噪声测量仪器。
图8为探测器时域数据，由此可知光电探测器电子学噪声在5小时内波动峰峰值为3.42×10-6 V，均值为-1.45×10-5 V。
图9中红色实线为探测器电子学噪声经过LPSD算法处理结果，从图中可知光电探测器电子学噪声在0.1 mHz-1 Hz范围内低于1.74×10-5 V/Hz1/2，该电子学噪声满足空间引力波探测要求。图8中蓝线表示当入射光功率8 mW激光时，在1 Hz以内探测器对应的功率谱密度达到40 dB以上，在空间引力波频段完成对了激光强度噪声的表征。
本发明通过选取低噪声、低失调电压跨阻运放芯片，低暗噪、低温度系数的光电二极管，以及超温反偏电压等技术手段，实现了在空间引力波探测频段（0.1 mHz-1Hz）电子学噪声低于1.649×10-5 V/Hz1/2，在8 mW激光入射时，探测器抬高为40 dB，相关研究成果可为空间引力波探测中激光强度噪声准确评估、光电反馈噪声抑制以及进一步提高星载激光干涉测量精度等方面提供关键器件支撑。
以上显示和描述了本发明的主要特征和优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明的具体实施方式并不仅限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明的创造思想和设计思路，应当等同属于本发明技术方案中所公开的保护范围。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (7)
1.面向低频段激光强度噪声抑制的光电探测器，其特征在于：包括有光电探测器（10），其包括分别集成到同一电路板上的电压基准模块（1）、光电转换模块（2）、信号采集模块（3），所述电压基准模块（1）包括有电压基准芯片（101）和第一运算放大器（102），+15V电压通过输入连接器与电压基准芯片（101）的引脚2相连接，第一滤波电容（103）和第二滤波电容（104）的一端分别接地，其两者的另一端分别与电压基准芯片（101）的引脚2相连接，低噪声电源经过第一滤波电容（103）和第二滤波电容（104）为电压基准芯片（101）供电，使得+15V电压更为稳定，所述第一运算放大器（102）的同相输入端引脚3接地，电压基准芯片（101）的引脚6通过第一输入电阻 （105）与第一运算放大器（102）反相输入端引脚2相连接，第一反馈电阻（106）跨接在第一运算放大器（102）的反相输入端引脚2与输出端引脚6之间，光电转换模块（2）包括有光电二极管（201）和第二运算放大器（202），所述光电二极管（201）的阴、阳极分别与第一运算放大器（102）的输出端引脚6、第二运算放大器（202）的反相输入端引脚2相连接，第二运算放大器（202）的同相输入端引脚3接地，在第二运算放大器（202）的反相输入端引脚2与其输出端引脚6之间并联有金属箔电阻（203）和反馈电容（204），所述信号采集模块（3）包括有第三运算放大器（301），第三运算放大器（301）的同相输入端引脚3与第二运算放大器（202）的输出端引脚6相连接，在第三运算放大器（301）的反相输入端引脚2与其输出端引脚6之间跨接有第二反馈电阻（302），阻抗匹配电阻（303）的两端分别与第三运算放大器（301）的输出端引脚6、输出连接器相连接，在第一运算放大器（102）、第二运算放大器（202）以及第三运算放大器（301）的引脚7与引脚4分别与经滤波后的+15V和-15V电源连接。
2.根据权利要求1所述的面向低频段激光强度噪声抑制的光电探测器，其特征在于：所述电压基准芯片（101）的型号为基准芯片MAX6350，第一运算放大器（102）的型号为反向放大芯片AD8671，第二运算放大器（202）的型号为跨阻放大芯片AD797，第三运算放大器（301）的型号为芯片AD797，光电二极管（201）的型号为C30642。
3.根据权利要求1所述的面向低频段激光强度噪声抑制的光电探测器，其特征在于：所述输入连接器和输出连接器分别采用LEMO接头。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的面向低频段激光强度噪声抑制的光电探测器，其特征在于：所述电路板采用双面板并且双面铺地，信号线与电源线之间地隔离。
5.根据权利要求4所述的面向低频段激光强度噪声抑制的光电探测器，其特征在于：所述电路板设置在在铝质金属壳内，其用于抗电磁干扰。
6.一种应用权利要求5所述的面向低频段激光强度噪声抑制的光电探测器的测试系统，其包括有全固态单频激光器（4）且其输出自由空间传输的1064 nm激光作为种子光，还包括分别设置在种子光传输线路上的隔离器（5）、二分之一波片（6）与偏振分束棱镜（7），种子光通过二分之一波片（6）与偏振分束棱镜（7）组合改变光功率大小后经衰减片（8）进行衰减入射光的能量，衰减后的种子光再经过高反镜（9）将其沿60°打入到光电探测器（10）的光电二极管（201）上进行测试光电探测器（10）的响应度，光电探测器（10）的输出端分两路，且一路连接示波器（11）用于观测光电探测器（10）的电压示数，另一路通过高精度数字万用表（12）并连接在计算机（13）上，其中高精度数字万用表（12）用于在无光条件下光电探测器（10）的电子学噪声，计算机（13）用于实时检测光电探测器（10）的测试数据。
7.根据权利要求6所述的面向低频段激光强度噪声抑制的光电探测器的测试系统，其特征在于：所述高精度数字万用表（12）为吉利时3706A数字万用表。
Priority Applications (1)
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| CN202310243204.7A CN116540318A (zh) | 2023-03-14 | 2023-03-14 | 面向毫赫兹频段激光强度噪声抑制的低噪声光电探测器及测试系统 |
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