張曉峻，康　崇，孫晶華

(哈爾濱工程大學(xué) 理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

多功能光功率計(jì)研制

張曉峻，康崇，孫晶華

(哈爾濱工程大學(xué) 理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

摘要：設(shè)計(jì)了具有多量程切換擋位、多波長選擇擋位、操作簡便的多功能光功率計(jì). 具體介紹了光功率計(jì)中PIN光電探測器的特性、前置放大電路設(shè)計(jì)方法和減小噪聲的措施.

關(guān)鍵詞：光功率;光電探測器;前置放大電路;噪聲

1引言

光學(xué)實(shí)驗(yàn)是物理實(shí)驗(yàn)的重要組成部分，在國內(nèi)外同類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，其實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目占全部物理實(shí)驗(yàn)的25%以上. 光學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富，涉及面很廣，其內(nèi)容涵蓋了干涉、衍射、偏振及近代物理領(lǐng)域的激光技術(shù)、干涉計(jì)量等方面. 光學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，特別是激光技術(shù)在當(dāng)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中起到十分重要的作用.

光功率計(jì)是光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的重要實(shí)驗(yàn)儀器之一. 通過學(xué)校實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究立項(xiàng)，研制了光學(xué)多功能光功率計(jì). 該儀器集演示性、驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性、綜合性、研究性實(shí)驗(yàn)于一身，結(jié)構(gòu)緊湊，精巧輕便. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容新奇，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象奇幻，化抽象為具體，化枯燥為生動(dòng)，把要研究的物理現(xiàn)象清楚地展示在學(xué)生面前，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性. 有助于學(xué)生由現(xiàn)象到本質(zhì)，由表及里地全面認(rèn)識(shí)問題，學(xué)會(huì)從實(shí)際出發(fā)實(shí)事求是地分析問題. 使學(xué)生充分地認(rèn)識(shí)和較好地掌握光學(xué)技術(shù)的原理和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐互動(dòng). 該儀器特別加入了調(diào)制擴(kuò)展口，學(xué)生可根據(jù)自己的想法查找相關(guān)文獻(xiàn)資料，制作各種調(diào)制電路，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力.

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光功率計(jì)實(shí)驗(yàn)儀如圖1所示. 根據(jù)光學(xué)多功能實(shí)驗(yàn)的需求，研制的光功率計(jì)具有3種量程200 μW，2 mW，20 mW，3種波段523 nm，650 nm，自然光. 200 μW的測量分辨率達(dá)0.1 μW[1].

圖1　光功率計(jì)實(shí)驗(yàn)儀實(shí)物圖

光功率計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2，系統(tǒng)包括光電探測器、前置放大電路、量程切換校準(zhǔn)電路、波長切換校準(zhǔn)電路、調(diào)零電路、數(shù)字顯示電路[2].

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1　光電探測器

光電探測器把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，便于儀器儀表對(duì)信號(hào)的測量分析[3]. PIN光電二極管具有體積小，靈敏度高，低溫漂，低反向偏壓等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用.

PIN光電二極管由P型和N型半導(dǎo)體材料組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示. 在N型半導(dǎo)體中，電子是主要的載流子，而在P型半導(dǎo)體中，空穴是主要的載流子，在耗盡層中由于電荷的移動(dòng)，造成兩側(cè)電荷的堆積，形成了由N區(qū)指向P區(qū)的自建電場，攔截空穴，使其不能繼續(xù)擴(kuò)散. 當(dāng)光入射到耗盡層時(shí)，耗盡層中的電子吸收光子能量，并且躍遷到導(dǎo)帶中，形成具有導(dǎo)電功能的光生載流子；它們在自建電場的作用下運(yùn)動(dòng)，空穴沿著自建電場方向向P區(qū)定向運(yùn)動(dòng)，而電子沿逆電場的方向向N區(qū)定向運(yùn)動(dòng)，光生載流子形成的電場因削弱了自建電場而產(chǎn)生了光電流. 入射光的光照越強(qiáng)，產(chǎn)生的光電流越大，這個(gè)過程把光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)[4].

圖3　PIN光電二極管結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)采用型號(hào)為HPI1KL5的PIN光電二極管. 波長響應(yīng)特性曲線如圖4所示，波長響應(yīng)范圍為450~1 050 nm，峰值波長920 nm. 指向性圖如圖5所示，方向視角-100°~+100°.

圖4　波長響應(yīng)特性曲線

圖5　指向性圖

2.2　前置放大電路設(shè)計(jì)

由于PIN光電二極管輸出的是微弱的電流信號(hào)，所以需要低噪聲前置放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，實(shí)現(xiàn)后續(xù)處理電路與光電探測器之間的阻抗匹配. 要求前置放大器噪聲低，輸入阻抗高，響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng). PCB布線時(shí)，前置放大器靠近探測器件安裝，采用銅屏蔽殼體實(shí)現(xiàn)良好的接地與屏蔽，消除環(huán)境噪聲對(duì)測量的干擾.

圖6　光電探測器基本放大電路

圖7　優(yōu)化的檢測放大電路

此外，光電探測器帶來的噪聲有背景噪聲、暗電流噪聲和散彈噪聲等，在設(shè)計(jì)電路時(shí)應(yīng)減弱噪聲的影響，提高信噪比[6].

3光功率計(jì)校準(zhǔn)與應(yīng)用

接通電源預(yù)熱10 min以上，使電子器件達(dá)到熱平衡狀態(tài)，消除溫漂的影響[6]. 然后將PIN探測器罩住，使照射在PIN探頭上的光功率為零，調(diào)節(jié)調(diào)零電位器旋鈕使數(shù)字式電壓表讀數(shù)為零. 用標(biāo)準(zhǔn)激光器照射PIN探頭，調(diào)節(jié)使數(shù)字電壓表讀數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)激光器的輸出功率. 通過改變阻值，設(shè)置光功率計(jì)量程，滿足不同的需求. 校準(zhǔn)后的光功率計(jì)與Additional公司的光功率計(jì)進(jìn)行測試比較，選用2 mW和20 mW量程，數(shù)據(jù)如表1，每個(gè)量程測量信號(hào)較弱時(shí)誤差較大，但滿足實(shí)際應(yīng)用需求. 自研的光功率計(jì)在半導(dǎo)體泵浦激光實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了應(yīng)用[7]. 實(shí)驗(yàn)以808 nm半導(dǎo)體泵浦Nd3+∶YVO4激光器為研究對(duì)象，產(chǎn)生1 064 nm激光，在腔中插入KTP倍頻晶體產(chǎn)生532 nm倍頻光. 泵浦光源電流與倍頻后的輸出光功率測試結(jié)果見表2和圖8，曲線滿足半導(dǎo)體泵浦激光的特性.

表1　光功率的測量數(shù)據(jù)

表2　半導(dǎo)體泵浦激光實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖8　泵浦光源電流-激光輸出光功率曲線

4結(jié)束語

自研的光功率計(jì)具有測量精度高、成本低、操作簡便、讀數(shù)直觀等特點(diǎn). 解決了以往實(shí)驗(yàn)室使用的光功率計(jì)溫漂大、穩(wěn)定性差、指針不固定、讀數(shù)困難等問題，解決了高精度數(shù)字光功率計(jì)價(jià)格昂貴的問題.

參考文獻(xiàn)：

[1]關(guān)海艷，馮毅，何春鳳,等. 光敏電阻綜合演示儀的設(shè)計(jì)[J]. 物理實(shí)驗(yàn),2014,34(2):25-27.

[2]周曼. 絕對(duì)輻射功率計(jì)[J]. 物理實(shí)驗(yàn),1996,16(6):260-261.

[3]安毓英,曾曉東. 光電探測原理[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2004.

[4]B-BADD 1ication Bul1etin. Photodiode Monitoring with OpAmDS [Z]. 1995.

[5]陳張瑋,李玉和,李慶祥,等. 光電探測器前級(jí)放大電路設(shè)計(jì)與研究[J]. 電測與儀表,2005,42(6):32-34.

[6]楊應(yīng)平，陳夢葦，賈信庭. 四象限光電探測器實(shí)驗(yàn)裝置的研究與應(yīng)用[J]. 物理實(shí)驗(yàn), 2014,34(5):29-32.

[7]郭培源,付揚(yáng). 光電檢測技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京:航空航天大學(xué)出版社,2006：89-120.

[責(zé)任編輯：郭偉]

Multifunctional optical power meter

ZHANG Xiao-jun, KANG Chong, SUN Jing-hua

(College of Science, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Abstract:A multifunctional optical power meter with the characteristics of multi-range, multi-wavelength and simple operation was designed. The property of PIN-photoelectric detector, design method of pre-amplifier circuit, and measures to reduce noise were introduced as well.

Key words:optical power; photoelectric detector; pre-amplifier circuit; noise

中圖分類號(hào)：TH741

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-4642(2015)05-0034-03

作者簡介：張曉峻(1981-)，男，江蘇泰州人，哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院講師，博士研究生，從事光電信號(hào)檢測方面的研究工作.

收稿日期：2014-06-03；修改日期：2014-10-23

“第8屆全國高等學(xué)校物理教學(xué)研討會(huì)”論文

資助項(xiàng)目：哈爾濱工程大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究立項(xiàng)(No.SYJG20131106);國家自然基金(No.61174192)