基于APD激光窄脈沖探測系統的研究

摘 要： 激光窄脈沖探測系統主要是由發射和接收兩部分組成，小功率的激光窄脈沖信號比較微弱，所以提高光增益增加探測效率是亟待解決的。傳統的解決手段是選擇靈敏的光電探測器件，后續經過放大電路進行解決。這里采用具有內部增益的雪崩二極管作為光敏元件，在此基礎上增加光學系統，使探測前就進行放大處理，進而有效地提高探測效率。

關鍵字： 激光探測； APD； 溫控系統； 光學系統

中圖分類號： TN312+.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）04?0135?04

0 引 言

隨著1960年第一個紅寶石激光器的誕生，相應的激光探測技術也越來越受人們的關注與研究，激光測距、激光雷達、激光制導等國防級應用都離不開窄脈沖激光探測技術[1]。激光探測核心器件就是能夠探測激光窄脈沖信號的光電二極管。雪崩光電二極管（APD）具有借助強電場作用產生載流子的倍增效應，所以本文選擇APD作為接收器件。

由于光電轉化后形成的電流在遠距離的時候比較微弱，無法用于后續觀察和應用。傳統方法是對APD探測器設計相應的放大電路。以及之后的各種處理電路保證信號得到更好的采集和放大。本文在研究期間準備在APD光敏面的適當距離處增加透鏡光學系統，這樣的好處就是在激光到達APD的光敏面前就已經得到了增益的處理，提高了信噪比，然后再設計多級放大器對APD輸出的弱電信號放大；這樣起到了“治標又治本”的效果。為了使探測電路能獲得最佳檢測性能，APD的偏壓需要接近最佳倍增因子時的電壓。由于最佳倍增因子受外部溫度的影響很大，因此需要及時調整雪崩光電二極管的偏壓。傳統方法一般用微處理器進行控制，或者是用復雜的電路實現。本文中采用AD590和高壓模塊共同對APD偏壓溫度補償。

1 雪崩光電二極管的特性

1.1 APD的工作原理

APD一般以硅或鍺作為材料，在APD的P?N結上加適當的反向偏壓后，當入射激光被P?N結吸收后會形成光電流。如果反向偏壓過大，會發生“雪崩”現象。一般光電二極管的反向偏壓最多也就幾十伏，而APD的反向偏壓一般達到幾百伏量級。

APD在反向偏壓下工作時，勢壘區中形成很強的電場，使電子和空穴做漂移運動時具有很大的動能，它們與勢壘區的晶格原子碰撞發生電離，激發產生的二次電子與空穴在強電場下得到加速又碰撞產生新的電子?空穴，如此下去形成倍增效應。綜上，APD探測的過程可以說是碰撞電離和雪崩倍增的過程[2]。

1.2 外部溫度對APD探測的影響

外部的溫度變化對APD偏置電路的影響主要有兩個方面：一是APD的晶體之間的強度和碰撞頻率，還有載流子都會受到溫度的影響，進而也就改變了APD的倍增因子[3]；另一方面，溫度變化使負載電阻噪聲發生了改變。

APD倍增因子M與P?N結加的方向電壓V之間的關系可以用下式描述：

[M=11-（VVB）n] （1）

式中：[V]為外加的反向偏壓；[VB]為擊穿電壓；[n]一般為1～3，取決于半導體材料、輻射波長。

當外加偏壓較小時，只會產生光電激發；當偏壓接近擊穿電壓時，就會發生雪崩效應，使光電流得到倍增效果；超過[VB]以后，易發生擊穿，同時暗電流也越來越大。因此最佳的偏壓不宜超過[VB]。

適當的偏壓大小是接近[VB]但不超過[VB]，保持恒定的倍增因子，此時APD的信噪比是最大的，對應的增益為最佳雪崩增益，加在其上的電壓為最佳偏壓。但在APD工作過程，擊穿電壓隨溫度的變化影響較大，導致倍增因子很不穩定，APD無法工作在最佳狀態。

由以上分析可知，要想維持恒定的倍增因子M可以從兩個方面入手：一是保持外部溫度和偏置電壓不變；另一方面；使偏壓隨溫度變化按照一定的比例改變來維持增益恒定。

2 APD溫控偏壓系統的設計

2.1 溫度傳感器AD590的原理及應用

AD590是美國ANALOG DEVICES公司生產的單片集成兩端感溫電流源，其輸出電流和溫度成正比例關系。AD590的測溫范圍為-55～150 ℃，滿足工程要求。當外部溫度每變化1 K，電流變化[1 μA]；公式如下：

[IT=1 μA] （2）

AD590的精度分為I，J，K，L，M五個檔位，其中M檔精度最高，本文選擇M檔，其非線性誤差為±0.3 ℃。

當溫度升高[ΔT]時，輸出的偏壓可以由式（1）計算：

[ΔT=ΔI×R] （3）

式中R為串聯在AD590上的電阻，作用是使電流轉化為電壓值。通過設定R值來調節偏壓模塊，偏壓值小于擊穿電壓，這樣當溫度變化時，加在APD上的反向偏壓將隨著升高或減小，使APD在最佳狀態下工作。

2.2 APD偏壓電路

APD需要很高的偏壓來達到內部的增益效果，相對于傳統的復雜電路板的設計思路，本文采用高壓模塊DC?DC高壓變換器TP?0.3P作為偏壓源搭建偏壓電路。本文設計了一個簡單實用的偏壓電路，其原理如圖3所示。

為了測試高壓模塊是否提供作為APD的偏壓，對偏壓電路進行了測試，繪制如圖4所示測試曲線。通過圖4可以看到TP?0.3P的線性度是非常好的，完全可以給APD提供偏壓。

3 探測系統

3.1 基本APD探測系統

基本的APD探測系統[4]包括發射系統、APD接收、APD溫控系統、APD的偏壓電路、以及后續的放大升壓電路。不過，通過一段時間的研究和測試，發現可以把光學系統加到APD探測系統中去，這樣可以在探測前，就對激光進行了聚光增益的作用。圖5是改進后的APD探測系統。

這里的發射系統我們采用二極管泵浦激光器（DPSSL），激光器各個參數為：出光波長為1 064.2 nm，脈寬為3.3 ns，峰值功率為2 018 W，發散角為5.1 mrad。由于DPSSL有很好的方向性、相干性、光譜匹配性等優點。所以選擇DPSSL作為激光源。圖6為發射系統的示意圖。

3.2 光學系統[5]

由于激光探測系統的應用關系，設計系統要考慮小型化，易集成等特點；所以摒棄傳統大視場角光學系統的方法，利用凸透鏡成像規律，提出利用凸透鏡作為光學系統（見圖7）。有：

[f=1nL-11r1-1r2] （4）

[1u+1v=1f] （5）

式中：[f]為焦距；[u]為物距；[v]為像距；[nL]為透鏡材料折射率；[r1]為凸透鏡物方球面的曲率半徑；[r2]為凸透鏡像方球面的曲率半徑。

APD的光敏面與透鏡的圓心處于同一基準線上且垂直于基準線并平行放置，相距[f，]由于[u]遠大于[f]，像距落在1～2[f]之間，這次選用的APD是由于所用探測器的圓面半徑為0.75 mm，有相對折射率公式如下：

[sinθ1sinθ2=n2n1] （6）

式中：[θ1]為介質1的入射角；[θ2]為介質2的折射角；[n1]為介質1的折射率；[n2]為介質2的折射率。結合凸透鏡成像規律，選取半徑為[r]的透鏡，并將APD激光探測器的光敏面與透鏡的距離調節為[f]。實際中使用[r=16.5 mm]的凸透鏡。

因此，探測器在加與未加光學系統時，光敏面接收到的光功率發生變化，產生光增益[5]：

[G=τ?AAd] （7）

式中：[τ]為光學系統透射率；[A]為光學系統入瞳面積；[Ad]為探測器光敏面面積。該光學系統的光學系統透射率0.92、光學系統入瞳面積[854.87 mm2]、探測器光敏面面積[1.77 mm2]，光增益為444.34。

這在激光探測領域是比較理想的增益效果，在不同溫度和距離的條件下進行實測，得到的數據如圖8，圖9所示。

由于實驗條件的限制，所取溫度和距離跨度不大，但是效果已經很明顯了。溫度幅值關系這組數據是在光學系統的放大和APD內部增益的作用下測得的數據，通過觀察幅值已經接近伏特級了，如果再經過后續放大電路的處理加工，就能得到更佳的幅值效果。測試結果隨著溫度的變化最后也趨于穩定，溫控效果也比較明顯。距離幅值這組數據是在加上后續放大處理電路、外界溫度25 ℃環境下測得的，由圖中也可以看到，由于光的散射作用，隨著距離的增加，激光窄脈沖是減弱的，通過光學系統和后續放大電路的共同作用下，可以遠距離進行探測。

4 結 語

本文針對激光窄脈沖探測系統探測效率低的問題，通過理論分析和試驗驗證，得出可以添加光學系統來增大光增益，提高探測效率；本實驗裝置再加上后續的信號處理等系統的完善，可以用作激光測距機使用。但是本文的光學系統只是單一的凸透鏡系統，以后可以考慮加入透鏡組來進行深入地分析，可能會達到更好的效果。

參考文獻

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