基于二極管激光器的光電探測系統響應時間的測量

周雪 周娣 張會焱

摘要

光電探測系統在光度測量及光譜檢測領域應用廣泛，是檢測的核心部件.光電探測系統的響應時間反映了該系統能夠探測的極限，對其進行準確的測量在實際應用中十分必要.本文展示了一種能夠準確測量光電探測系統響應時間的方法，以常用的可調諧二極管激光器（波長為763 nm）為光源，采用方波信號調諧光源輸出，測量了系統的響應時間.結果顯示，示波器內電阻對系統的響應時間存在影響，當電阻為50 Ω時，探測系統的響應時間為4.5 μs.降低電阻值，可以進一步縮短響應時間.

關鍵詞

二極管激光器;光電探測;響應時間

中圖分類號 TM923

文獻標志碼 A

0 引言

光電探測系統通常包含光源、控制器、光電探測器及示波器等組成部分.在檢測系統中，

光電探測器可以將接收到的光信號轉換為電流信號，而后經過示波器內部的RC電路或外接電路將電流信號轉換為電壓信號進行顯示和記錄.光電探測系統在光度測量及光譜檢測等許多領域有著廣泛應用[1-4].

隨著二極管激光器的迅速發(fā)展，以二極管激光器為光源的光電探測系統已廣泛應用在各探測領域.然而探測系統中的二極管激光器、光電探測器、電路等都存在響應時間，因此，光電探測系統對瞬態(tài)的控制信號不是即時響應，而是存在一定延遲的，這一延遲的時間通常被稱為光電探測系統的響應時間.在連續(xù)性測量中，通常響應時間遠小于測試時間，可以忽略不計.然而，當采用光電探測系統測量瞬態(tài)過程時，則需考慮響應時間的影響，如果待測瞬態(tài)過程的時間小于探測系統的響應時間，會導致瞬態(tài)過程難以被觀測.因此，在瞬態(tài)測量中，通常首先估計瞬態(tài)過程的時間，與光電探測系統的響應時間進行對比，進而選擇能夠滿足測量要求的探測系統.近年來，隨著超快光學、動態(tài)顯示等科技的發(fā)展，對光電探測系統的響應時間的要求也越來越高，這也對系統響應時間的測量精度提出了較高的要求[5-8].因此，對光電探測系統的響應時間進行準確的測量十分重要.

測量光電探測系統響應時間的基本方法為脈沖響應法，通常以方波信號調制光源.光源輸出的光信號會滯后于方波信號，對于信號的下降沿，光強衰減呈e指數形式[9].因此，可以通過對測量的響應曲線進行e指數擬合獲得光電探測系統的響應時間.值得注意的是，由于光電探測系統中的光電探測器對不同波長的光的響應不同，因此，對于同一探測系統，在光源波長不同時，系統的響應時間不同，所以，需要對所需的波長分別進行測量.

本文采用脈沖響應法，對以波長763 nm的二極管激光器為光源的光電探測系統的響應時間進行了測量，結果顯示，示波器內部RC電路的電阻對系統的響應時間存在較大影響，電阻越小，響應越迅速.當電阻值為1 MΩ時，探測系統的響應時間為130 μs，而當電阻值為50 Ω時，響應時間為4.5 μs.進一步降低電阻值，則系統的響應更迅速.然而由于電阻過小，導致電流信號轉化的電壓信號也會隨之減小，信號的信噪比會下降.因此在測量過程中應對響應時間的信號強度進行綜合考量，選擇合適的電阻值.

1 實驗原理

脈沖響應法測量光電探測系統的響應時間，通常是采用方波信號對激光輸出的光信號進行調節(jié).由于系統的響應存在延遲，因此，探測到的信號并不是完美的方波信號，而是在方波上下沿的瞬變時有一定的滯后，利用這一特點，即可對系統的響應時間進行測量.光電系統檢測到的方波的上升沿和下降沿的變化滿足e指數規(guī)律，通常習慣以下降沿進行研究，其光強的衰減規(guī)律為

I（λ）=I0（λ）exp（-t/τ），? （1）

其中，I（λ）為t時刻光源輸出的光強，I0（λ）為零時刻（未衰減時）的輸出光強，τ為系統的響應時間.因此，通過對檢測到的信號進行e指數擬合即可獲得系統的準確的響應時間.

2 測量裝置

探測系統的響應時間測量裝置如圖1所示，二極管激光器的溫度和電流由激光控制器進行控制，其中，在電流控制器上加入方波對電流進行調節(jié)，使得激光器輸出的光強按照方波的形式隨時間變化.由激光器輸出的激光被光電探測器接收，光信號被轉換為電信號，而后由示波器進行顯示和記錄.實驗裝置的型號與條件如下：激光器采用垂直腔面發(fā)射單模二極管激光器（Laser Components，Single Mode VCSEL 763 nm TO46），其額定輸出功率為0.3 mW，發(fā)射激光的中心波長為763 nm，隨著輸入電流與溫度的變化，其輸出波長可在中心波長附近小范圍調諧.溫度控制器型號為Thorlabs TED 200C，Temperature Controller，本實驗中激光器溫度控制在22.4 ℃.電流控制器型號為Thorlabs LDC 200，VCSEL Laser Diode Controller，本實驗中將激光器注入電流設置為1.27 mA.此外，在電流控制器上采用信號發(fā)生器加入一偏置的方波信號，信號電壓全部為正值，信號幅度為500 mV，設置了不同的頻率值進行測試.光電探測器為Thorlabs公司生產的D210型探測器，示波器為Tektronix生產的DPO5054型示波器.

3 測試結果與分析

在測量光電探測系統的響應時間時，控制激光器的方波信號的頻率是十分重要的.若系統的響應十分迅速，而方波信號的設置頻率較大，則探測到的方波信號比較完美，觀察不到探測系統的延遲現象，無法測量響應時間;若系統的響應時間較長，而設置的方波信號頻率過快，則探測到的信號無法到達平衡位置，響應時間同樣無法測量.因此，選擇合適的防波頻率十分重要.

此外，光電探測器將光信號轉換為電流信號，再經過電阻后變?yōu)殡妷盒盘栠M行測量.因此，示波器內部的RC電路的電阻值會對測量的系統響應時間產生直接影響，電阻值越大，信號越大，但系統的響應時間也越長，反之，電阻越小，系統響應更迅速，但探測到的信號值較小，信噪比差.在具體的實驗中，應根據實際需要合理取舍，選擇合適的探測條件.本文分別測試了較大和較小的兩個電阻值下系統的響應時間，比較電阻對系統響應時間的影響，展示了系統響應時間測量的方法.

3.1 示波器內RC電路電阻值為1 MΩ時系統的響應時間

首先，測量了示波器內RC電路電阻值較大時系統的響應時間，電阻值設置為1 MΩ.圖2給出了不同的方波頻率下探測系統的響應曲線.可以看出，當方波的頻率為1 kHz時，上升沿和下降沿均未到達平衡位置，說明系統的響應時間較長，該頻率過大.

當方波的頻率為200 Hz時，能清楚地看到方波信號在上升沿和下降沿的延遲現象，且整個周期內，達到平衡位置的時間約為響應滯后時間的4～5倍，為最佳的擬合頻率，因此，我們采用頻率為200 Hz時的響應曲線進行擬合.

如圖3所示，對下降沿進行e指數擬合，擬合公式如圖中所示，擬合結果表明，當示波器內RC電路電阻值為1 MΩ時，系統的響應時間為130 μs.圖3中右上角插圖給出的是下降沿曲線縱坐標取ln的結果，由于下降沿按e指數衰減，其縱坐標取ln后曲線應為線性變化規(guī)律.由圖3可見，插圖中數據的前段較好地符合線性規(guī)律，說明其為e指數形式，而后段由于信號強度逐漸減小，信噪比逐漸增大，導致插圖中后端數據呈發(fā)散狀.通過對線性區(qū)間進行擬合，可得其斜率及時間常數τ，結果與e指數擬合結果相符.

3.2 示波器內RC電路電阻值為50 Ω時系統的響應時間

同樣，測量了示波器內RC電路電阻為50 Ω時不同頻率下探測系統的響應曲線，如圖4所示.

可以看出，相比于電阻較大時的情況，電阻減小后，探測系統的響應時間明顯減小，然而，信號的信噪比也明顯下降，圖4中不同頻率的響應曲線測量結果都出現了不同程度的毛刺現象，尤其是信號的瞬態(tài)變化位置.在實際測量時，信噪比過差會對結果產生不利影響，因此，通常要重點考慮信噪比.這里，重點觀察電阻對系統響應時間的影響，因此，不考慮信噪比的問題.此外，對于探測系統的響應曲線來說，光電的轉換效率主要由光電探測器決定，光的接收率與環(huán)境、接收角、探測器窗口等多種因素有關，因此，響應曲線的縱坐標只是相對強度，改變探測器的接收位置、角度均會對曲線強度產生影響.

由圖4可知，10 kHz的方波頻率下系統的響應曲線是最佳擬合曲線，我們對該曲線進行擬合，擬合結果如圖5所示.從擬合結果可以看出，當示波器內部RC電路的電阻為50 Ω時，探測系統的響應時間約為4.5 μs，相較于電阻值為1 MΩ時的測量結果，探測系統的響應時間大大縮短了.由此可見，降低電路電阻值，可以直接縮短系統的響應時間.然而這一結果是以犧牲信噪比為代價的，而實際測量中，信噪比對結果的影響也至關重要，因此，需要綜合考慮.

4 結束語

本文針對光電探測系統的響應時間問題，展示了采用脈沖響應法準確測量探測系統響應時間的方法.在測量過程中，比較了示波器內RC電路電阻對探測系統響應時間的影響，分別對不同的電阻下的系統響應時間進行了測量.測量結果表明，降低電阻值可以明顯縮短系統的響應時間，然而信號的信噪比會受到影響.因此，在實際測量中，需要綜合考慮響應時間與信噪比的影響，選取合適的測量條件.

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Response time measurement of photoelectric detection system based on diode laser

ZHOU Xue1 ZHOU Di2 ZHANG Huiyan3

1 School of Computer Science and Information Engineering，Chongqing Technology and Business University，Chongqing 400067

2 Heilongjiang Yichun Forestry School，Yichun 153000

3 National Research Base of Intelligent Manufacturing Service，Chongqing Technology and Business University，Chongqing 400067

Abstract Photoelectric detection system is the core component of a detector，and is widely used in photo-metric measurement and spectroscopy monitoring.Response time of a photoelectric detection system reflects the fastest response limit of the system in detection.Thus，an accurate measurement of the response time is very important for application.This work shows a method for accurate response time measurement of a photoelectric detection system.Here，a tunable diode laser with a wavelength of 763 nm，usually used in spectroscopy，is used as the light source and is tuned with a square wave.The response time is measured.The results indicates that the resistance of the oscilloscope can influence the response time of the system.The response time of the photoelectric detection system is measured as 4.5 μs when the resistance value is 50 Ω.The response time can be shortened if the resistance value reduces.This work provides a response time measurement method of a photoelectric detection system，which is a basis for the choice of detection system in application.

Key words diode laser;photoelectric detection;response time

收稿日期 2020-01-17

資助項目 重慶工商大學高層次人才科研啟動項目（1956045）

作者簡介周雪，女，博士，講師，研究方向為氣體光譜檢測技術.zhouxuehit@163.com