基于PIN型硅光電二極管的激光偏振態探頭

劉鵬，王書朋，李玲，孫博，趙海麗

（1.長春理工大學 空間光電技術研究所，長春 130022；2.長春理工大學 電子信息工程學院，長春 130022；3.長春新產業光電技術有限公司，長春 130103）

基于PIN型硅光電二極管的激光偏振態探頭

劉鵬1，王書朋2，李玲2，孫博3，趙海麗2

（1.長春理工大學 空間光電技術研究所，長春 130022；2.長春理工大學 電子信息工程學院，長春 130022；3.長春新產業光電技術有限公司，長春 130103）

綜合考慮了PIN型硅光電二極管的高靈敏性、高穩定性、高響應速度、小體積及低成本的優點，主要研究了基于PIN型硅光電二極管的光強探測電路在激光偏振態測量系統中的應用。采用Stockes參量測量的LCVR調制法，將光強探測電路和光學檢偏系統封裝在一起構成激光偏振態測量探頭，探頭以STM32F103為控制器通過USB協議實現數據在上位機與控制器之間的傳輸。利用該探頭完成808nm激光的偏振態測量，實驗結果顯示該偏振態測量探頭具有較高的測量精度，且該偏振態測量探頭具有結構簡單、測量精度高、體積小、人機交互便捷、操作簡單的特點。

PIN型硅光電二極管；Stockes參量；偏振態；探頭

PIN型硅光電二極管具有高靈敏性、高穩定性、高響應速度和低容性，被廣泛應用于光電檢測器件和其他測量分析性系統中。

激光偏振態測量系統，主要完成斯托克斯參量的相關測量和計算。而斯托克斯各參量是和光強相關的量，基于硅光電二極管的光強采集電路主要用來對通過光學檢偏系統的計算分析得出該束激光所攜帶的偏振信息，光強采集電路的靈敏性、抗噪性及轉換精度直接關系到所測量激光偏振信息的質量。

1 光波的偏振態描述

光波是一種頻率很高的橫向電磁波，它是具有方向的矢量波，光的偏振現象其實質就是光矢量在時間和空間中的變化，是光具有矢量性的表現。光沿z軸方向傳播時，電場只在x、y方向有意義。平面波方程可以表示為:

式中，τ=ωt-kz，它在x，y，z三個方向的分量分別為:

經過化簡消去τ后得:

式中，δ=δ2-δ1，式（3）的行列式系數為:

由此可知電場矢量頂端軌跡是一個橢圓，可以認為，每一時刻，沿光波傳輸方向，空間各點電場矢量末端在x，y平面的投影是一橢圓［1］，光學上稱該種電磁波為橢圓偏振光，一般光學中討論到的偏振情況主要有線偏振和圓偏振，這兩種偏振情況是橢圓偏振的特殊個例。

當式（3）中δ=δ2-δ1=mπ(m=0,±1,…)時橢圓就轉化成為直線，即線偏振。其表示式為:

若

因為斯托克斯參量可以描述完全非偏振光、部分偏振光和完全偏振光。因此，目前激光偏振態的檢測大多是基于斯托克斯參量的四個元素計算來完成的，它可以表示為:

式中，S0與入射的總光強相關，且S0=1；S1是線偏振在0。，90。方向的光強差值，S2是線偏振在45°，135°方向的光強差，S3是左旋和右旋圓偏振光強差。

2 Stockes參量測量的LCVR調制法測量入射光偏振態

Stockes參量測量的LCVR調制法檢測激光偏振態的原理如圖1所示。LCVR是基于液晶的電控雙折射特性制成的光學器件［3］，變化LCVR兩端的電壓即可控制光軸的指向，實現透射激光的延遲相位調節。激光光源發射一束激光，依次通過兩片規格相同的液晶可變相位延遲器LCVR1和LCVR2，調整LCVR1和LCVR2的狀態，使LCVR1的光軸垂直于分光棱鏡，LCVR2的光軸和分光棱鏡成45°，出射光再經過分光棱鏡就分解為水平線偏振光和垂直線偏振光。由光強探測電路探測出兩路光強值，根據Stockes參量計算公式即可得到該束激光的偏振信息。

（1）計算Stockes參量

Stockes各參量的計算公式為:

其中，IT、IR為初始探測的兩路光強值，為改變LCVR相位延遲后的兩路出射光強值。

（2）待測光的偏振態表征

入射光偏振態的計算公式:

（3）待測光的偏振度計算

入射光偏振度計算公式:

測量方法:測量S1時控制器通過D/A給液晶相位可變延遲器上電，調節LCVR1的相位延遲量為0，調節LCVR2的相位延遲量在0和λ/2間變化；同理，測量S2時調節LCVR1相位延遲量為λ/4，調節LCVR2的相位延遲量在λ/4和-λ/4間變化；同理，測量S3時調節LCVR1相位延遲量為0，調節LCVR2的相位延遲量在λ/4和-λ/4間變化，分別探測兩路光強值。這大大提高了其響應速度。

圖1 Stockes參量測量的LCVR調制法檢測激光偏振態原理圖

鑒于實驗中所使用的激光器是808nm波長，參考PIN型硅光電二極管的光譜曲線及響應速度，實驗采用的是S1223系列的S1223-01，相關參數如表1所示。

3 基于PIN型硅光電二極管的光強采集電路

3.1 PIN型硅光電二極管簡介及選型

光學檢偏系統限制了光強探測器件的大小，PIN型硅光電二極管體積較小，便于集成；而且PIN型硅光電二極管有諸多優點:頻帶寬、靈敏度高、線性輸出范圍寬、噪聲低；滿足同等實驗條件的情況下，相較于CCD等光電探測器件，PIN型硅光電二極管的成本較低。

PIN型硅光電二極管其實是一種反向偏置的半導體二極管，在P型半導體之間夾雜一層本征半導體即高阻區I。由于I區很厚，入射光很容易被材料內部吸收，衍生出大量電子-空穴對，因而顯著提高了光-電轉換效率。另外，位于兩側的P區和N區很薄，吸收的入射光較少，相對來說I區占據大部分耗盡層，因而光生電流中的漂移分量占較大比重，

表1 S1223-01的相關參數

3.2 光強探測電路的設計

當激光照射PIN型硅光電二極管時，會產生與光照度成比例的微弱電流。其中，暗電流及背景光引起的噪聲電流約10nA～80nA（0～10Hz），這部分噪聲可以利用濾波器濾除。另外，還要防止運算放大器出現自激震蕩影響探測精度，可采用穩壓電源給集成運算放大器供電，并在穩壓電源的輸入端和輸出端分別加一合適的補償電容［2］。

圖2 一路光強探測電路設計

一路光強探測電路如圖2所示。該電路分為PIN光電二極管前置放大電路和A/D變換兩部分，PIN光電二級管的前置放大電路由四部分組成，第I部分為I-V變換電路，反饋電阻Rf與電容Cf組成反饋網絡反饋補償網絡，Cf使電路更加穩定避免出現振蕩現象；R1作為補償電阻，用來降低運放輸入電流引起的偏置效應，同時并聯C1消除R1引起的噪聲干擾。第II部分為無源二階RC濾波電路，濾除輸出電信號的噪聲干擾。第III部分為主放大電路，反饋電阻為數字電位器ISL23328，可以根據需要控制放大倍數，控制器通過IIC控制ISL23328工作，每個ISL23328封裝了兩個數字電位器，并且每個電位器有128個電阻抽頭，阻值最大為10kΩ。RLn是低端，RWn是滑動端，控制器對ISL23328進行寫操作，根據寫入數據大小配置RLn和RWn之間的阻值大小。第IV部分為跟隨電路進行阻抗匹配。前置放大電路采用低偏置、高速率的四運OP467，減少了運放的噪聲干擾。最后將經過前置放大電路處理的電信號接入A/D轉換器AD7606-4，AD7606是一款高分辨率、高采樣率的模數轉換器，探頭包含兩路光強探測電路，因此AD7607-4即可滿足雙通道A/D轉換的要求，且該轉換器內部集成了模擬輸入箝位保護、模擬輸入阻抗緩沖器、二階抗混疊模擬濾波器等功能，保證了光強探測的精度及實時性。

4 整體設計及實驗測量

設計了如圖3所示的激光偏振態探頭，利用該探頭對波長為808nm的激光器進行偏振態檢測，實驗中對LCVR的控制電壓進行了校準，確定了LCVR相位延遲量為0、λ/4、-λ/4及λ/2時的上電電壓如表2所示，進行多次試驗取平均值作為試驗結果，所得數據如表3所示，偏振光的理論值如表4所示。

圖3 激光偏振態探頭

表2 相位延遲器上電電壓

表3 實驗測試結果

表4 偏振光的斯托克斯各參量理論值

對照偏振光的斯托克斯參量理論值，我們取測量所得結果的最大誤差作為系統誤差，可得系統誤差為1.11%。

5 結論

探頭采用美國Meadowlark公司生產的LCVR，它自帶補償功能，具有650～950nm寬波長響應范圍，調制電壓為0～20V真有效值，通過實驗數據可知該激光偏振態測量探頭可以精確的測量出入射激光的偏振信息。而且探頭是集成化的設計，實驗操作時光路搭建非常容易，探頭的控制與數據顯示均可在上位機上完成，人機交互非常友好。

［1］ 廖延彪.偏振光學［M］.北京:科學出版社，2003: 231-262.［2］ 趙海麗，王曉曼，姜會林，等.基于液晶的激光偏振測量系統研究［J］.儀器儀表學報，2010，31（2）:416-419.

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The Laser Polarization State Probe Based on PIN Type Silicon Photodiode

LIU Peng1，WANG Shupeng2，LI Ling2，SUN Bo3，ZHAO Haili2
（1.The Institute of Space Optics and Electronics，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.School of Electronic information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；3.Changchun Company of New Industry Photoelectric Technology，Changchun 130103）

PIN type silicon photodiode has the advantages of high sensitivity，high stability，high response speed，small volume and low cost.This research mainly studied the application of the light intensity detection circuit based on the PIN type silicon photodiode in the laser polarization state measurement system And the study used the LCVR modulation method to measure the Stockes parameters.The light intensity detection circuit and the optical detection system are packaged together to form a laser polarization state measuring probe.the probe with STM32F103 as the controller，through the USB protocol to achieve data transmission between the host computer and the controller.Using the probe to complete the measurement of the polarization state of 809nm laser，the experimental results show that the accuracy of the measurement circuit of the light intensity is maintained at 0%.The polarization state measuring probe has the advantages of simple structure，high measuring accuracy，small volume，convenient human computer interactive operation and simple manipulation.

PIN type silicon photodiode；Stockes parameter；polarization state；probe

TN247

A

1672-9870（2016）05-0009-04

2016-08-16

吉林省科技廳攻關項目（20140204035GX）

劉鵬（1982.6-），男，博士，講師，E-mail:liup@cust.edu.cn