快速光電探測系統響應時間精密測量裝置

韓強盛,張保洲,盧利根 ,艾明澤

(1.北京師范大學天文系，北京 100875；2.北京市應用光學重點實驗室，北京 100875；3.遼寧省計量測試研究院，遼寧 沈陽 110000)

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快速光電探測系統響應時間精密測量裝置

韓強盛1,張保洲1,2,盧利根1,2,艾明澤3

(1.北京師范大學天文系，北京 100875；2.北京市應用光學重點實驗室，北京 100875；3.遼寧省計量測試研究院，遼寧 沈陽 110000)

快速光電探測系統或光電探測器，在頻閃光源和動態顯示目標的光度測量中應用十分廣泛。給出了一套準確測量光電探測系統或光電探測器響應時間測量裝置，該裝置適于測量的光電探測系統的響應時間極限為10-7s，為了驗證激光方波信號的質量，還采用光電倍增管(PMT)作為快速探測器制備了快速光電探測系統，因此本裝置還具有測量頻閃光源和動態顯示目標瞬態光度的能力。

光電探測系統；響應時間；激光方波信號；瞬態測量；Lab-view

引言

光電探測系統能夠將外界輸入的光信號轉換為電信號輸出，轉換速度的快慢取決于探測系統的響應時間。近年來，閃光源、動態顯示目標、快速激光等應用日益廣泛，對這些瞬態變化的輻射源的研究和評價都會涉及到對它們的光度測量[1-15]以及相關測量設備。隨著這些應用瞬態變化輻射源水平的提高，對光電探測器響應時間測量精度的要求也日益提高，相應地提出了高精度測量光電探測系統響應時間手段的需求。然而，目前市場上罕見能夠用來準確測量快速響應光電探測系統響應時間的完整裝置，造成在瞬變光源光度測量領域測量方法科學性和可靠性的缺失，常常出現不同測量裝置獲得的結果差異性很大的現象，這也是大家仍然不斷探討和關注光電探測器或光電探測系統響應時間的測量更佳方法和手段[16-31]。

針對上述情況，本研究旨在設計出一套能夠準確測量光電探測系統或光電探測器響應時間的裝置。就目前常見的測量光電探測系統或光電探測器響應時間的方法而言，直接根據響應時間定義，電探測系統或光電探測器對方波輻射信號響應上升沿的時長還是其最佳的表征。基于這樣的考慮，裝置的光源采用直接調制激光器來獲得測量用的高質量激光方波信號(上升沿時間10-8s)，并利用快速放大電路和高速數據采集卡來構造信號放大和采集系統，最后在Lab-view虛擬儀器開發平臺上對測量結果進行計算和顯示。為了驗證獲得的激光方波信號和快速放大電路能夠滿足測量要求，我們使用快速雪崩二極管(APD)和光電倍增管(PMT)作為快速探測器制備了快速光電探測系統來對調制激光信號進行采集驗證。實驗表明該裝置適于響應時間不小于10-7s光電探測系統或光電探測器的準確測量。

1 裝置的結構

1.1 響應時間測量原理

響應時間是表征光電探測系統或光電探測器對光輻射響應速度快慢的參數，用響應信號相對于輸入信號的延遲時間來表示。對于光電探測探測器，傳統上常利用其對脈沖信號響應圖形中從開始上升到上升至峰值的70%所需時間來表征響應時間[32]，一方面由于噪聲的存在使得開始上升的位置難以準確選擇；另一方面，由于存在干擾和變形的存在，脈沖響應圖形峰值常常存在一定的失真。實踐表明利用利用其對方波信號響應圖形上升沿來確定響應時間更為嚴格。通常可以用方波信號響應圖形上升沿中從達到坪區10%到上升至坪90%所需時間來表征響應時間，稱為光電探測器的上升時間。因此測量響應時間最主要的是要獲得比較理想的方波光輻射信號，即光方波信號的上升沿具有很好垂直度，而且要有準確放大和呈現光電探測探測器輸出電信號。

1.2 響應時間測量裝置的結構

圖1是裝置的結構示意圖。從圖1中可以看出，裝置圍繞被測探測器(或系統)主要由四部分構成。

光脈沖信號產生模塊主要包括了產生調制電信號的信號發生器和作為光輻射源的激光器。激光器在信號發生器的調制下，可輸出比較理想的方波光輻射信號，測試時方波光輻射信號直接投射到光電探測探測器的光敏面上，信號的強度可以通過信號發生器調節和控制。

圖1 裝置的結構示意圖Fig.1 The structure of the equipment

信號調理模塊主要由濾波和放大電路構成，其作用是將被測探測器獲得的電信號轉換(如果是電流信號)和放大成適于采集的電壓信號后，傳輸至數據采集卡。當然，對于光電探測系統，即被測自身具有輸出模擬信號的能力，測試時就無需這個模塊。

數據采集模塊主要由高速數據采集卡構成，其作用對信號調理模(對于被測為光電探測器)或被測光電探測系統輸出的電壓信號進行采集并形成數字信號后，傳輸至計算機。對于被測是自身具有輸出數字信號能力的光電探測系統，測試時光電探測系統輸出的數字信號可直接傳輸至計算機，測試時就無需經過信號調理和數據采集模塊。

信號處理及結果顯示模塊主要由計算機和專用軟件構成，其作用對數據采集模塊(對于被測為光電探測器或帶模擬輸出的光電探測系統輸)或帶數字輸出的光電探測系統輸入的數字信號進行處理并呈現測量圖形和結果。

2 裝置的性能

2.1 方波光輻射信號

由于半導體激光器具有閾值低、頻率響應高、響應速度快等優點。裝置采用電壓TTL信號來調制半導體激光器來獲得測量所需要的方波光輻射信號。某公司生產的33600系列的數字信號發生器輸出的方波調制電壓信號，驅動可調制的半導體激光器形成方波光輻射信號。圖2是用高頻示波器采集到的信號發生器輸出的方波電壓信號，通過調節脈沖幅度和偏置電壓，可以調節和控制信號的強度。圖2(a)為調制的高頻方波電壓信號概貌，圖2(b)為相應方波上升沿電壓信號細節。由圖2可見，信號發生器輸出的電壓方波信號上升沿時間僅大致為5 ns。

實驗中使用的半導體激光器響應時間非常短，響應時間在三個納秒左右。我們利用信號發生器產生的電壓方波信號來對半導體激光器進行TTL調制。

圖2 信號發生器及其輸出電壓信號波形圖Fig.2 Signal generator and its output voltage signal waveform

2.2 方波光輻射信號上升沿垂直度

為了驗證通過直接調制激光輸出的方波信號上升沿垂直度滿足設計的要求，采用First Sensor公司生產的快速雪崩二極管(APD)為探測器，其標稱響應時間僅為0.35 ns。在測量過程中，通過給雪崩二極管加偏置電路，以讓二極管工作在雪崩放大條件之下。偏置電路如圖3(a)所示，實測得到的信號如圖3(b)所示。

由圖3可見，經電壓直接調制可以得到上升沿垂直度非常好的方波光輻射信號，上升小于10 ns。

2.3 快速放大電路

快速放大電路承擔著把被測探測器獲得的電信號轉換(如果是電流信號)和放大成適于采集電壓信號的任務，其采樣速率應當不使被測探測器獲得的電信號產生影響結果的延時。放大電路的原理圖如圖4所示，為了滿足快速放大的要求，放大電路選用OPA656運算放大模塊來對輸入電流信號進行放大。OPA656 結合有一個超寬頻帶、單位增益穩定、電壓反饋運算放大器，此運算放大器適用于超高動態范圍的信號放大電路，能滿足不同等級強度的電流信號的放大需求。

為了充分利用高速數據采集卡的分辨率，需將待測探測器輸出的電流信號或者電壓信號放大到接近數據采集卡的輸入電壓范圍。

2.4 快速放大電路速率

為了驗證快速放大電路的速率，采用光電倍增管作為探測器作為被測探測器來測試快速放大電路探測的響應速率，由于PMT的上什時間為ns量級，所以只要測試得到的結果大于10 ns，就可以將測試結果視為快速放大電路探測的響應速率。圖5就是PMT作為被試時快速放大電路的實際輸出電壓波形。由圖5可以看到，PMT作為被試時激光方波信號經快速放大電路輸出較理想的方波，其前沿上升時間約為60 ns，這也就是快速放大電路的響應速率。

圖3 APD采集方波光輻射信號上升沿波形圖Fig.3 Rising edge of the waveform for the square wave radiation signal collected by APD

圖4 放大電路的原理圖Fig.4 Amplifying circuit

圖5 PMT作為被試，快速放大電路的輸出電壓波形Fig.5 Output voltage waveform of the amplifying circuit when the PMT is the testor

2.5 數據采集卡和LabVIEW虛擬儀器(VI)開發

數據采集卡將對快速放大電路輸出的信號(對于被測為光電探測器)或被測光電探測系統輸出的電壓信號進行采集并形成數字信號后，傳輸至計算機。因此，數據采集卡的采樣速率應略高于快速放大電路的響應速率。裝置中采用的PCI-8514高速數據采集卡，具有14位采樣精度，最高采樣頻率為80MHz，支持單端四通道同步模擬量輸入。它采用DMA方式進行數據采集，具有512MB的緩存存儲容量。為了證實數據采集卡的實際采樣速率，用它對信號發生器給出的高速調制方波電信號進行直接采樣，結果表明高速數據采集卡可以實現80MHz的采樣頻率(見圖6)。

圖6 裝置的結果顯示界面Fig.6 Result desktop of the equipment

為了使裝置實現在數據處理、顯示、傳送和存儲的智能化，并加強裝置在擴展能力，裝置在軟件方面還進行了虛擬儀器開發，由于數據采集卡自帶了DLL動態鏈接庫，提供了許多上層用戶函數，這使得用戶不必了解復雜的數據采集卡硬件線路和控制細節，在只需要知道采樣通道、頻率和采樣數等一些基本參數的情況下，便能夠通過Labview的庫函數節點(CLF)訪問動態鏈接庫從而實現對信號的采集和數據的處理，圖6是裝置的結果顯示界面。

3 結論

本研究完成了一套能夠直接按照定義準確測量光電探測系統或光電探測器響應時間的裝置。基于這樣的考慮，裝置的光源采用直接調制激光器來獲得測量用的高質量激光方波信號(上升沿時間10-8s)，利用快速放大電路和高速數據采集卡來構造信號放大和采集系統，最后在Lab-view虛擬儀器開發平臺上對測量結果進行計算和顯示。經快速雪崩二極管(APD)和光電倍增管(PMT)作為快速探測器制備的快速光電探測系統來對調制激光方波信號和快速放大電路進行采集驗證。實驗表明該裝置適于響應時間不小于10-7s光電探測器或光電探測系統的準確測量。由于在構建裝置的過程中，采用光電倍增管(PMT)作為快速探測器制備了快速光電探測系統，因此本裝置還具有測量頻閃光源和動態顯示目標瞬態光度的能力。

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The Precision Measuring Device of Response Time of High-speed Photoelectric Detection System

Han Qiangsheng1, Zhang Baozhou1,2, Lu Ligen1,2, Ai Mingze3

(1.DepartmentofAstronomy,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China;2.BeijingKeyLaboratoryofAppliedoptics,Beijing100875,China;3.InstitutionofMeasurementandTestingofLiaoningProvince,Shenyang110000,China)

High-speed optical detection system or photoelectric detectors have been widely applied in the photo-metric measurement of strobe light and targets of dynamic display. This paper presents a set of measurement device that can complete accurate measurement of response time of the photoelectric detection system or photoelectric detector, and this device is capable of measuring the fastest response time of 10-7s. In order to verify the quality of the laser square wave, a photo-multiplier tube (PMT) is prepared as the detector of a fast optical detection system. So this device also has the ability to measure the instantaneous luminosity values of strobe light and dynamic-displaying targets.

photoelectric detection; response time; laser; measurement; data acquisition card; Lab-view

張保洲，E-mail:zhangbzh@bnu.edu.cn

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.02.001