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激光能量测试的原理主要包括两个部分:高速光电探测和激光参数测量。高速光电探测原理证明该激光能量测试方法的可行性,而脉宽测试原理主要保证该方法的真实性。
激光能量测试方法的整体流程如图1所示。
首先,观察接收到的光电压信号大小,如果光电压信号<1 mV,需要外接放大电路,再进行跨阻放大逆运算得到光电流信号。如果电压信号>1 mV,可直接经过跨阻放大电路的逆运算计算出光电流大小。
其次,光电流经过光电检测电路的逆运算得到光信号。因为射入光电探测器靶面的激光已经经过了光学衰减器的衰减,通常衰减精度是其衰减量的±0.1倍,所以经过光电探测器靶面探测到的激光能量还需乘以衰减倍数之后才等于激光发射能量。
最终,观察发射激光的参数与可调激光器设置参数是否保持一致确认该测试方法的真实有效性。激光能量测试的整体指标见表1。
Experimental parameters Main index requirements Voltage value displayed
by the oscilloscope> 1 mV One-stage voltage amplifier circuit Voltage gain more than 10 times Transimpedance amplifier circuit Gain 2 K, bandwidth 1 G High-speed photoelectric
detection circuitAPD conversion gain 105 V/W
PMT conversion gain 102-107 V/WAttenuator 1-99 dB -
光电探测技术是把不便量化分析的光信号转化为可在示波器中可见的电信号,然后根据后续信号处理电路所需的电压值进行放大处理。
文中设计的高速光电探测电路(见图2)由APD或PMT、跨阻放大器(TIA)、比较器、电流基准、输出驱动等模块构成[10]。
该电路的工作原理为:改变可调激光器的泵浦能量,当光脉冲信号照射到探测器光敏面上,实现光信号到电流信号的转换,电流信号输入TIA电路,实现电流信号到电压信号的转换,TIA输出的电压信号接入比较器,比较器充当模数转换器(ADC)的功能,所以当TIA输出达到比较器翻转阈值时,比较器就会翻转一次,从而表示光信号的探测结果[11]。
根据光电系统辐射源的发光强度、传输介质和目标的传输及调制损耗、接收光学系统接收孔径的限制及反射吸收等损失的影响,可以测试出入射到探测器光敏面上的实际辐射能量[12]。
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激光最主要的参数包括:脉宽、重复频率、泵浦功率。脉宽t是指激光时域脉冲上升时间tr和脉冲下降时间tf到它的50%的峰值功率点之间的时间间隔[13]。重复频率是指激光在某个时间周期内脉冲信号触发的次数,而泵浦功率主要表示脉冲信号所搭载的能量大小。
对于不同的脉冲激光的上升时间量级和时域量程,根据对测试结果的不同要求,采用的测试方法有两类[14]:(1)直接测试法,采用快速探测器,将光信号转换成电信号,通过存储示波器记录其波形;(2)采用相关函数将时间函数转换成空间函数。利用标准延迟器和光速c换算出其时域脉冲波形参数,并依据脉冲激光的时域波形测试获得脉冲宽度t等的时域参数[15]。
文中采用直接测试法,发射激光的同步信号如图3所示。
图 3 激光发射同步信号与回波信号对比图
Figure 3. Comparison of the synchronization signal and echo signal of laser emission
脉冲激光的参数量值的测试是否准确,将直接影响最终辐射模拟光源峰值功率的结果,是影响最终测试结果的一个重要因素,也是对测试结果进行不确定性评估的一个重要分量。
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对于波长为1064 nm的激光能量测试,文中使用的是北京科扬公司的KY-ARPM系列的APD模块,它的内部集成了低噪声宽带跨阻放大器,输入阻抗为50 Ω,这种封装方式可以直接输出电压信号,也可以减少暗电流、自然光以及热电阻带来的噪声干扰[16-17]。
按照APD探测器的光电转换和跨阻放大过程,可以测试出激光能量,如公式(1)所示:
$$ {J}^{*}=\eta \times \left(\frac{D\times V}{Gain}\right) $$ (3-1) 式中:J*为发射激光能量;
$ \eta $ 为激光衰减倍数;D为激光脉宽;V为示波器探测到的电压;Gain为APD探测器的光电转换增益。(1) APD激光响应度和激光波长关系见图4,针对波长为1064 nm的激光,对应的响应度大概在0.3 A/W,而文中设计使用的APD模块峰值响应度为0.5 A/W,此时它的转换增益为105 V/W,说明对于1064 nm,模块的转换增益Gain为:
图 4 APD激光响应度和激光波长关系图(M=1)
Figure 4. Relationship between APD laser responsivity and laser wavelength (M=1)
$$ Gain =1 \times 10^{5} \times 0.3 / 0.5=6 \times 10^{4}\; \rm{V} / \rm{W} $$ (2)以图5测试结果为例,示波器探测到的电压V在0.552 V,激光功率W为:
$$ W=V / Gain =\frac{0.552}{6 \times 10^{4}} \approx 9.217 \times 10^{-6}\; \rm{W} $$ (3)激光脉宽D=5 ns,激光能量J为:
$$ J=D \times W=4.609 \times 10^{-14} \;\rm{J} $$ 测试前,首先确认APD的阈值,防止接收到的回波信号处于饱和状态。再按照激光能量和激光功率的关系设置好对应的脉宽,经过测试电路的放大后,选用60 dB叠加30 dB的衰减片,使激光能量衰减9×108倍。
(4)真实激光能量J*为:
$$ J^{*}=J \times 9 \times 10^{8}=4.149 \times 10^{-5} \rm{~J}=0.041\;48 \rm{~mJ} $$ 使用能量计测出的激光能量是0.040 mJ(见图6),因为很多激光器的最小量程为2 mJ,而显示数值只能到mJ级。实验结果证实,文中方法可测试出1064 nm的激光能量。
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对于波长为532 nm的激光能量测试,文中使用的是日本滨松公司的H11526系列的PMT模块,它的重复频率为10 kHz,内部高压电源可外接一个滑动变阻器来改变模块的控制电压,方便实验时调整控制电压来改变PMT增益。实验过程和APD很类似,最大的不同之处在于PMT需要信号发生器对其进行时序控制,并且PMT的增益会随着控制电压实时改变。一般控制电压为0.4~0.9 V,可以控制放大增益在103~107。因为此PMT模块为电压输出型模块,内部集成的跨阻放大电路增益D为0.1 V/μA和1 V/μA。
按照PMT探测器的光电转换和跨阻放大过程,可以测试出激光能量,如公式(2)所示:
$$ J=\frac{V}{Gain1\times M}\times D $$ (3-2) 式中:M为波长532 nm时PMT的激光响应度;D为激光脉宽;Gain1为PMT的光电转换增益。
实验选用了OPA847芯片的放大电路,该电路的偏置电流很低,带宽为4.2 GHz[14]。放大电路采用±6.5 V供电,可以将电路输入口接上PMT模块的输出端,电路的输出口接入示波器。
以图7测试结果为例,示波器探测到的电压V为0.291 V,控制电压为0.9 V,PMT的增益为5×106,PMT响应度与波长关系见图8,对应532 nm的响应度为40 mA/W。PMT模块的跨阻放大增益为0.1 V/μA,脉宽为5 ns。选用60 dB叠加60 dB的衰减片,将激光功率衰减了9×1011倍。
$$ {J}^{*}=J\times \eta $$ (3-3) (1)与文中第2.1节中对APD的激光能量测试类似,J为:
$$ J=\frac{V}{Gain1 \times M} \times D \approx 7.278 \times 10^{-17} \rm{~J} $$ (2)真实激光能量J*(见图9)为:
$$ J^{*}=J \times \eta =6.547\;5 \times 10^{-5} \rm{~J}=0.065\;5\; {\rm{{mJ}}} $$ 能量计测出激光能量值为0.065 mJ,和文中方法测试结果一致,再一次证实所提方法可用于波长532 nm的激光能量测试。
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为了验证第2节中理论测试的正确性与真实性,笔者做出了以下两组实验:1064 nm和532 nm激光能量测试实验。实验的整体装置图见图10。
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波长1 064 nm的激光能量测试需要经过以下四个步骤:
(1)测试1064 nm的激光器,将激光器连接RS232接口改变激光器串口至COM3,用线性直流电源调整激光器的电压至正常工作电压范围。激光器的上位机控制面板见图11。
(2)调制激光泵浦功率归零,将泵浦功率的步进值设为100 mW或者500 mW,逐步增加激光能量来保证探测器的安全。
(3)随后使用能量计测试激光功率,按着测试的数值选择能量计的合适量程再做测试,如果激光能量偏高,则采用能量衰减片来衰减激光能量。
(4)最后固定APD的接收窗口,让激光按照固定的角度打至光敏面,来观察示波器中的电压触发信号变化,并记录电压数值。
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532 nm的激光器需要先对倍频器升温到147 ℃的温度下才能正常工作,上位机的操作和1 064 nm的无太大区别。因为PMT的灵敏度比APD高,它的阈值可达nW级,需要选用衰减能力更强的衰减片来保证模块的正常工作,其测试步骤如下:
(1)按着PMT的工作时序图设置好信号发生器,因为PMT需要门控功能来区分接收的光是由水面产生还是水底产生的,需要在信号发生器中设置好激光射到水面所需的时间,这个过程PMT处于关闭状态,接着激光到达水面后开启门控开关,来接收水底的回波信号。测试前,需要在ConLAS软件中将触发方式改为由信号发生器来控制的外部触发。
(2)将外界信号发生器的信号调至脉冲信号,选择占空比0.1%,高电平在3.5~5 V,低电平选0,周期为5 μs,脉宽为5 ns,上升时间为2 ns,下降时间为6 ns。
(3)选择探测器时需要查看是否有门控功能,以及门控功能是选用常开还是常闭等,按着对应的时序图设置信号发生器参数。一般使用这种外部信号触发功能的激光实验只可用于机载实验测试,而不适合船载测试,因为离水面距离太近,水面信号的门控时间无法精准控制。
(4)另外,要根据需要接收的激光波长波段选择合适的光电探测器,一般选择峰值灵敏度在最接近的波段作为探测光。
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文中方法是在光电探测器的探测理论上测试激光能量值,但是实验测试值和真值总是存在一定的误差,为了减小这个误差,笔者做出如下几种分析。
(1)实验装置误差
测试装置的误差主要来源于仪器仪表的误差和电路的误差。所提方法采用了泰克公司采样率为2.5 G/s的示波器,如果回波信号的重复频率过快,有可能无法还原完整波形。另外,光电转换电路可能因为电源纹波的干扰以及电路的虚焊导致实验误差。
(2)环境误差
在不同的环境下测试会出现不同的实验结果,比如探测器的灵敏度受工作温度的影响,以及室内室外的自然光强度不同使得探测器产生的暗电流噪声不一样,探测器的响应度也会受到干扰。
(3)方法误差
由于人员的技术水平不够或者一些理论测试只能取近似值,导致最终结果产生误差。
前两种由硬件设施所致,可以选择同一实验环境,且在封闭黑暗环境下进行实验。而方法产生的误差,可以采取前人总结出来的经验公式对数据进行修正。如从实验3.1和3.2的测试结果中可以获得脉冲激光的时域波形,笔者根据传统经验公式对回波信号的脉宽进行误差分析[18]:
$$ t=\sqrt{{t}_{1}^{2}-{t}_{2}^{2}-{t}_{3}^{3}} $$ (3-4) 式中:t1为所测时域波形的脉宽;t2为波形记录的上升时间;t3为高速光电探测器的上升时间。
根据图10的测试结果,可得:
$$ \begin{aligned} &t= \\ &\sqrt{\left(5.076 \times 10^{-9}\right)^{2}-\left(1.24 \times 10^{-9}\right)^{2}-\left(5 \times 10^{-9}\right)^{3}} \\ &4.92 \times 10^{-9} \;\rm{s}=4.92 \;\rm{ns} \end{aligned} $$ 根据PMT模块(见图12)的测试结果,可得:
$$ \begin{aligned} &t= \\ &\sqrt{\left(5.030 \times 10^{-9}\right)^{2}-\left(1.07 \times 10^{-9}\right)^{2}-\left(5 \times 10^{-9}\right)^{3}} \\ &4.91 \times 10^{-9} \;\rm{s}=4.91\; {\rm{{ns}}} \end{aligned} $$ 综上所述,接收到的回波信号与激光发射同步信号误差均在2%以内,证实回波信号的真实性。
Testing method and experiment of large dynamic range energy of pulsed laser with wavelength of 1 064 nm and 532 nm
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摘要: 激光能量测量中能量计的量程受限,无法兼顾大动态范围能量的测量。在光电法测量的基础上,提出了一种基于APD和PMT光电探测器的激光能量测量方法,该方法通过分析光电探测器的探测性能及其与后续处理电路之间的相互作用关系,可以完成对1 064 nm和532 nm波段的激光能量测量。通过改变可调激光光源的脉宽、重频、泵浦功率,观察电压信号变化,根据跨阻放大电路的放大倍数测试出光电流大小,利用光电探测器灵敏度与激光波长的关系找到对应的探测器灵敏度和光电转换增益以及激光的衰减倍数,测试出激光能量值,同时对比发射激光的脉宽、重频、泵浦功率值,确保该计算方法的真实性。实验证明,所提出的方法可以完成动态范围为nJ~mJ的激光能量测试,且与使用能量计测试误差在nJ以内。
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关键词:
- 脉冲激光 /
- APD、PMT探测器 /
- 能量测试
Abstract: The range of the energy meter is limited in laser energy measurement, and it cannot take into account the measurement of energy with a large dynamic range. In the photoelectric measurement, a laser energy measurement method based on APD and PMT photodetectors was proposed. The measurement of laser energy in the 1 064 nm and 532 nm bands was compelted through analyzing the detection performance of the photodetector and its interaction with subsequent processing circuits by this method. The voltage signal changes were observed by changing the pulse width, repetition frequency, and pump power of the adjustable laser light source. The size of the photocurrent was tested according to the magnification of the transimpedance amplifier circuit. The relationship between photodetector sensitivity and laser wavelength was used to find the corresponding detector sensitivity, photoelectric conversion gain and laser attenuation multiple. The laser energy value was tested, and the pulse width, repetition frequency and pump power value of the emitted laser were compared to ensure the calculation the authenticity of the method. The experiment proves that the proposed method can complete the laser energy test with a large dynamic range nJ-mJ, and the test error is less than nJ compared with the energy meter test.-
Key words:
- pulsed laser /
- APD and PMT detector /
- energy test
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Experimental parameters Main index requirements Voltage value displayed
by the oscilloscope> 1 mV One-stage voltage amplifier circuit Voltage gain more than 10 times Transimpedance amplifier circuit Gain 2 K, bandwidth 1 G High-speed photoelectric
detection circuitAPD conversion gain 105 V/W
PMT conversion gain 102-107 V/WAttenuator 1-99 dB -
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