四象限光電探測器實驗裝置的研究與應用

楊應平,陳夢葦,賈信庭

(武漢理工大學 理學院 物理實驗教學示范中心，湖北 武漢 430070)

1 引 言

隨著光電技術的發展，光電探測的應用也越來越廣泛，由于四象限光電探測器(four-quadrant photoelectric detector，QPD)能夠探測光斑中心在四象限工作平面的位置，因此在激光準直、激光通信、激光制導等領域得到了廣泛的應用[1-4]. 據此，開發了用于學生實驗的四象限光電探測器綜合實驗儀，該實驗儀能夠完成系統組裝調試，激光器直流、脈沖驅動，四象限探測器輸出信號放大，脈沖展寬，基于單片機的信號采集系統設計，以及使用LCD和上位機顯示各象限光斑能量信息和光斑中心位置. 通過實驗，學生可以掌握四象限光電探測器原理及利用實驗儀進行設計性實驗等內容. 作為高等院校應用物理、光電信息科學與工程、電子科學與技術、測繪工程、機械電子工程、測控技術與儀器等理工科專業的實驗教學儀器，對提高學生對光電定向及其實際應用的認識和提高教師的教學質量都有積極的作用[5].

2 四象限光電探測器原理與實驗裝置

2.1 四象限光電探測器原理

象探測器是一種常用的精跟蹤探測器，其基本原理是光電效應，利用半導體材料吸收光子能量引起的電子躍遷，將光信號轉換為電信號. 通常是利用集成光路光刻技術將完整的PN結光電二極管的光敏面分割成幾個具有相同形狀和面積、位置對稱的區域，每個區域可以看作1個獨立的光電探測器，其背面仍為一整片. 理想情況下，每個區域都具有完全相同的性能參量. 象探測器光敏面形狀有圓形和矩形，四象限光電探測器實物如圖1所示.

(a)圓形光敏面QPD

(b)矩形光敏面QPD圖1 四象限探測器實物圖

如圖2(a)所示，四象限光電探測器光敏面有4部分A，B，C，D. 假設入射光斑為圓形且能量分布均勻，如圖2(b)所示，照射在光敏面上的光斑被4個象限分成4個部分，4個象限的光斑面積分別為SA，SB，SC和SD. 此時，由于光生伏特效應，在4個象限中產生與光信號對應的電信號，其對應電流大小分別為IA，IB，IC和ID. 如圖2 (c) 所示，當光斑中心在四象限光電探測器上的位置改變時，光敏面各象限上的光斑面積也會改變，從而引起四象限探測器各象限輸出電流強度的變化，通過一定的信號處理方法可以得到光斑能量中心位置相關信息.

(a) (b)

(c) (d)圖2 四象限探測器工作示意圖

根據輸出電流強度可以計算出光斑能量中心位置. 用σx和σy分別表示x和y軸上根據四象限光電探測器輸出信號經過一定的算法處理后的歸一化偏移量，σx和σy與光斑能量中心實際偏移量的對應關系利用加減算法得[6-7]：

(1)

(2)

式中K為比例常數，光斑能量中心偏移量σx和σy僅與光斑在探測器上的面積有關，只要得到了各象限面積之間的比例關系， 即可得到光斑能量

中心位置的坐標. 光斑在探測器上移動如圖2(d)所示，為了討論方便，這里假設目標光斑沿x軸正方向移動. 設光斑直徑等于探測器半徑，則根據式(1)，得到光斑能量中心實際位置x0和偏移量信號σx函數曲線如圖3所示[7].

圖3 σx-x0函數曲線圖

2.2 實驗裝置

四象限光電探測器綜合實驗儀是根據光學雷達和光學制導的原理而設計的，分為機械和信號處理兩部分，采用650 nm紅光點狀激光器作光源，四象限光電探測器作為光電探測接收器測量光斑中心位置和光強等信息. 激光器和四象限光電探測器固定在機械調節部分，如圖4(a)所示，使用航插與實驗儀信號處理電路連接. 實驗儀信號處理部分如圖4(b)所示.

實驗儀采用硬件和軟件2種光電定向方式實現直觀、快速定位跟蹤目標方位. 學生實現光斑中心定位的方法有2種：

1)硬件模擬定向，其中又分為2種定向方案：

a.采用運放LF353進行I/V變化、信號放大和信號加減運算，其原理如圖5所示；

b.采用電阻網絡進行信號加法運算，采用運放進行信號減法運算,運算的結果通過A/D模數轉換后送給微處理器進行計算.

2)軟件定向，通過A/D轉換電路對4個象限的輸出數據進行采集處理，經過微處理器運算處理，將數據送至計算機，由計算機軟件實時顯示定向結果，軟件運行界面如圖6所示.

(a)實驗裝置機械部分外觀圖

(b)實驗箱內部結構圖

圖5 光電信號處理原理圖

圖6 計算機軟件運行界

2.3 實驗數據處理

利用研制開發的實驗儀按照實驗要求進行了數據測量[8]，由于x方向和y方向測量方法和數據處理方法相同，在此僅以x方向為例，光斑移動量Δx和偏移量σx的測量結果如表1所示.

測量數據中僅給出了光斑的移動距離，數據初步處理是將測得的σx值最接近零處定位為QPD的中心位置，即Δx=1.600時x0=0，得到的三次擬合式和擬合曲線如式(3)和圖7所示.

(3)

圖7 實驗數據及三次擬合曲線圖

采用高次擬合雖然能很好地逼近實際測量數據，但從圖7可以看出，在非線性測量區域四象限光電探測器靈敏度較低，實際使用中多使用靈敏度高的線性區域[9]，因此，對線性好的區域進行擬合，得到式(4)：

σx=0.763x0-0.015 2 ,

(4)

因此，在線性區域內，K=0.763.

3 結束語

對四象限光電探測器光斑中心定位原理進行了研究，在此基礎上研制開發了四象限光電探測器綜合實驗儀. 該實驗裝置圍繞四象限光電探測器能夠完成驗證性、設計性等多方面實驗內容. 利用該裝置進行了實驗數據測量，測量結果線性測量范圍寬、靈敏度高、可重復性好，能夠實現對光斑能量中心位置的非接觸性測量.

參考文獻：

[1] LUO Ding, KUANG Cuifang, HAO Xiang, et al. High-precision laser alignment technique based on spiral phase plate [J]. Optics and Lasers in Engineering,2012,50(7):944-949.

[2] CHEN Mengwei, YANG Yingping, JIA Xinting, et al. Analyses of center location algorithm for laser spot [A]. International Photonics and OptoElectronics Meetings (IONT)[C]. Wuhan, 2012.

[3] Freebody, Marie. Lasers evolve to meet the demands of optical communications [J]. Photonics Spectra, 2012,46(12):50-53.

[4] 朱夢實,張權,李元旭,等. 使用四象限探測器測量微小位移[J]. 物理實驗,2013,33(1):8-11.

[5] 關海艷,馮毅,何春鳳,等. 光敏電阻綜合演示儀的設計[J]. 物理實驗,2014,34(2):25-27.

[6] CUI Song, SOH Y C. Analysis and improvement of laguerre-Gaussian beam position estimation using quadrant detectors [J]. Optics Letters, 2011,36(9):1692-1694.

[7] 陳夢葦，楊應平，賈信庭,等. 四象限探測器光斑中心定位算法的分析與研究[J]. 武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2013,37(5)：1124-1127.

[8] 楊應平，賈信庭，陳夢葦. 光電技術實驗[M]. 北京：北京郵電大學出版社,2012.

[9] CHEN Mengwei, YANG Yingping, JIA Xinting, et al. Investigation of positioning algorithm and method for increasing the linear measurement range for four-quadrant detector [J]. Optik, 2013,124(24):6806-6809.