一種窄脈沖激光的測量方法*

于紅巖，榮憲偉，張偉光

(哈爾濱師范大學)

0 引言

隨著激光的應用越來越廣泛，窄脈沖激光尤其是納秒級窄脈沖激光已經廣泛使用，其中目前的納秒窄脈沖激光器的脈沖寬度可達10 ns量級［1］.由于其脈沖寬度超窄，對窄脈沖信號的處理器的帶寬要求高，后級信號的處理難度大，處理器的帶寬限制了整個系統的性能［2］.在脈沖激光檢測電路中，通常采用PIN光電二極管作為窄脈沖激光的光電轉換元件，通過PIN光電二極管檢測窄脈沖激光獲取激光的脈沖電信號，然后脈沖電信號通過高速運放組成的脈沖峰值放大電路對脈沖信號的峰值進行放大，隨后信號經過脈沖拓寬處理，用以降低對脈沖信號處理器的處理要求，最后信號經過一級射極跟隨器電路，保證信號在處理器處理過程中不衰減，保持信號處理的可靠性，前級的放大電路以及脈沖信號的拓寬是窄脈沖激光接收系統的重要設計內容.

1 PIN光電二極管及其工作模式選擇

作為光電探測器的接收裝置，光電轉換器件需要具有頻帶寬、靈敏度 高、線性輸出范圍寬和噪聲低的特性［3］，因而綜合考慮光電探測器的接收器選擇PIN光電二極管.PIN光電二極管的光電流信號與入射光信號的功率成正比，PIN光電二極管接收脈沖激光的信號值可以通過電壓值或電流值取得，因PIN光電二極管的信號電流值具有比信號電壓值更好的線性特征和高帶寬［4］.根據本系統的設計要求采用了零偏置下工作，如圖1所示，光電導模式通過對光電二極管加反向偏壓可實現較高的切換速度，但會犧牲線性，而且偏壓越高，暗電流就越大，有次會產生較大的噪聲電流，不利于微弱的窄脈沖激光信號的檢測，零偏置模式由于不存在內部暗電流，其探測器輸出噪聲基本上是由分流電阻產生的熱噪聲，并且電路可充分利用器件的線性特征，比較適合精確的測量方面的應用.

其中對于PIN光電二極管在零偏置狀態下工作的電路圖如圖1中所示，電路中運算放大器的選擇是美國德州儀器的OPA657，該放大器的高增益帶寬可達到1.6 GHz，可滿足較高的工作需求.

圖1 PIN光電二極管探測器在零偏置下工作電路圖

2 前級放大電路

將PIN光電二極管接收到的窄脈沖激光信號轉化為電信號后，因窄脈沖激光接收系統與發射電路間由于距離、干擾和一些其他影響，其接收到的窄脈沖信號比較微弱，信號的噪聲較大，同時窄脈沖電信號的信號峰值在幾十毫伏，對于后級測量系統來說難度巨大［5］.所以需要對窄脈沖激光產生的電信號進行放大，達到后級可處理的目的.

一般來說，窄脈沖激光的電信號的放大有兩種方式，電壓模式和采用I－V轉換的跨導放大模式［6］.電壓模式轉換中，由于電路具有非線性放大效果，容易使輸入信號與輸出信號之間的放大成非線性效果，不利于高精度測量系統的應用，固采用I－V轉換的跨導放大模式，使用跨導放大電路是利用跨導放大器將窄脈沖電流信號轉換電壓信號，由于光電探測系統中存在極間電容，運算放大器也存在輸入電容，這些電容加在一起形成的總電容與反饋電阻組成滯后網絡，引起輸出電壓相位滯后，容易引起運算放大器產生自激振蕩［7］.

為了增加探測系同的增益和信噪比，可采用增加反饋電阻和跨導放大器的單位增益，這樣會使探測系統的帶寬和穩定性均得到滿足，所以在窄脈沖激光探測電路中跨導放大器的選擇非常關鍵.如圖2所示，該放大電路采用AD8014運算放大器，AD8014是一款極高速放大器，－3 dB帶寬為400 MHz，壓擺率為4000 V/us，建立時間為24 ns，而且具有極低的電壓和電流噪聲以及低失真特性.同時圖2中的電路簡單，具備放大效果的同時可滿足較高帶寬要求.

圖2 前級放大電路

3 脈沖擴寬電路

在窄脈沖激光信號接收系統中接收的信號最終目的是處理信號，所以信號處理的前級電路對于信號處理非常重要.為了達到簡化處理難度，降低對后級處理器的性能要求(主要是處理器的帶寬)，需要對納秒級窄脈沖信號進行擴寬處理，對于接收到的窄脈沖電信號的脈沖寬度一般在十納秒量級，如需對此脈沖信號進行檢測，至少需要此脈沖寬度的時間范圍內采集5個點，其帶寬要求至少需要500 MHz，這樣的帶寬要求對于處理器來說要求非常高.

所以本系統采用了脈沖拓寬的方法來降低信號對于處理器帶寬性能的要求，通過電路將窄脈沖電信號的脈沖寬度由ns級別拓寬至us級別，極大的降低了系統信號對于窄脈沖處理器的處理要求，降低了系統對于處理器性能的依賴.

對于脈沖拓寬電路來說，如圖3所示，其核心器件為D1，D1作為一種快速恢復二極管，具有極高的響應速度，可滿足系統的高帶寬要求.納秒窄脈沖信號通過D1給C1進行充放電，使納秒窄脈沖信號拓寬為微秒級.

圖3 脈沖拓寬電路

同時為了使拓寬后的脈沖信號在接入處理器采樣的過程中不被后級處理器將信號拉低，在處理器與脈沖拓寬電路之間加入射極跟隨器電路，保證信號在被采樣過程中的不失真.

4 實驗結果及總結

通過將窄脈沖激光接收系統的各級電路進行電路板的制作，將系統電路進行實驗驗證，利用示波器得到脈沖信號波形的試驗結果如圖4所示.

圖4為脈沖拓寬電路輸出波形，從波形看，可以看出原始25 ns脈寬的信號經過展寬以后，實現了保峰信號展寬，脈沖的寬度變為10 μs左右.這樣可以大大降低ADC的采樣速率要求.

圖4 脈沖拓寬電路輸入輸出脈沖波形

該系統通過窄脈沖激光接收系統電路的設計，將輸入信號為納秒窄脈沖激光信號處理成微秒窄脈沖信號，降低對處理器ADC采樣速率的要求，實現了系統的簡化.

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