移相式脈沖光探測器在脈沖激光研究中的應用

袁學文，陳天江，周志強

(中國工程物理研究院應用電子學研究所，高能激光科學與技術重點實驗室，四川 綿陽621900)

>1 引 言

在脈沖激光的科研工作中，經常需要對脈沖光的分布、功率、能量等參數進行測量，或用脈沖光觸發別的裝置。對脈沖光的測量一般都要面臨同步問題，以前科研人員一般使用光探測器+同步信號發生器+計數器這幾個設備進行同步處理，這些設備體積大、價格高，使用不方便，也不利于被集成到系統里。本文介紹一種新型的移相式脈沖光探測器，該設備體積小、功能強，可以處理脈沖光的大部分同步工作，是脈沖光科研工作中的基礎工具之一。

移相式脈沖光探測器的測量原理如圖1所示。

圖1 移相式脈沖光探測器原理圖

移相式脈沖光探測器是一種多功能脈沖光探測器，它由高速光電二極管、跨阻放大器(TIA)、比較器(CMP)、鎖相環(PLL)和控制電路組成。入射光照射到光電二極管上，光電信號經過TIA放大，TIA輸出信號進入比較器得到數字脈沖，數字脈沖進入PLL進行鎖相、移相、脈沖寬度調整等操作，PLL輸出進入一個脈沖合并單元進行脈沖合并，合并后的信號進入驅動電路驅動觸發信號輸出;RS485接口與計算機通信，進行參數設置和讀取測量數據。

2 相機同步拍照

在脈沖激光的光斑分布研究中，常常使用相機進行拍攝，但相機用于脈沖光，特別是重復頻率較低的脈沖光時，由于相機與光源不同步，造成拍出來的圖像失真，相機圖像采集與光源重復頻率之間的差頻還會造成圖像的漂移，難以得到真實的光斑分布圖像。

采用移相式脈沖光探測器可以比較好地解決這個問題，其測量方案如圖2所示。用分光鏡將脈沖光源分出一部分光送入給脈沖光探測器，由探測器產生一個相位超前的觸發信號給相機，使相機在脈沖光到達相機之前開始積分，相機積分設定的時間后即可得到脈沖光光斑的真實圖像。

圖2 相機同步拍照測量方案

相機同步拍照的工作時序圖如圖3所示。T0為脈沖光光源的重復頻率，通過設置移相式脈沖光探測器輸出觸發信號的參數，使其在出光時刻之前Ta時刻開始觸發相機積分，并設置觸發信號寬度為Ti(即相機積分時間)，只要Ta和Ti設置得當，即可得到一個脈沖光的完整光斑圖像。

圖3 相機同步拍照時序圖

當脈沖光重復頻率超過相機的采集幀頻時，可以使用探測器的脈沖合并功能進行抽幀采集或一次積分幾個脈沖的合并采集，圖4是一個4抽1采集的時序圖。

圖4 抽樣拍照時序圖

3 脈沖光陣列靶同步采集

在有些應用場合，需要采用陣列靶來采集脈沖光光斑的功率分布，這種應用與相機類似，但陣列靶一般放在遠場，無法使用分光手段來獲得同步光信號，此時可以使用移相式脈沖光探測器測量陣列靶靶面的散射光產生移相后的同步信號來控制陣列靶數據采集電路，從而達到采集脈沖光光斑分布的目的，測量方案如圖5所示，其控制時序波形及抽樣原理與相機同步拍照波形類似。

圖5 脈沖光陣列靶同步采集方案

圖6 是采用這種方案獲得的一個脈沖光光斑分布圖像，該脈沖光源重復頻率為300 Hz，采用了3個脈沖采一個的抽樣采樣，獲得了100 Hz的采集幀頻。

圖6 脈沖光光斑分布

4 回光波形觀測

在激光測距、大氣回光探測等科研中，需要在示波器上觀測回光信號的波形，在這種應用中，一般出光與回光信號之間的時差比較大，用示波器觀測時，由于回光信號很弱，由回光信號很難觸發示波器，并且受示波器存儲深度的限制，也難以觀測從出光到回光的全時段波形。此時使用移相式脈沖光探測器來觸發示波器可以得到較好的測量效果，測量原理如圖7所示，在發射端采用分光或提取一部分雜散光作為移相式脈沖光探測器的輸入，探測器輸出一個移相后的脈沖觸發示波器，即可觀測目標在某個范圍內的回光波形。以發射端出光時刻為計時起點，假設目標的最近距離為Dn，則回光波形最快出現在時刻tbn:其中，c為光速。

設置移相式脈沖光探測器的相位參數，使其輸出滯后輸入tbn，這樣探測器在檢測到輸入后，延遲tbn輸出一個脈沖觸發示波器，即可觀測到某個范圍內的回光波形。

圖7 回光門控原理

在激光測距等應用中，移相式脈沖光探測器可以作為回光信號的門控選通控制信號。假設測距范圍為Dn～Df，其對應的回光時刻為tbn～tbf，回光時刻的計算見公式(1)，設置移相式脈沖光探測器的輸出相位滯后tbn，輸出脈沖寬度為tbn－tbf，將此輸出信號作為測距電路的門控輸入信號，可以消除回光信號中的大部分噪聲。

5 對脈沖光頻率穩定性的要求

當將移相式脈沖光探測器用于相機、陣列靶等數據采集的同步信號時，對脈沖光重復頻率的穩定性有一定要求，現由時序圖(圖8)來計算，設光脈沖寬度為Tw，重復頻率為T0。其中，Td是設置的觸發脈沖相位延遲，Ti是設定的觸發脈沖寬度，即相機的積分時間，在理想情況下，光脈沖正好處于Ti的中間，即:

圖8 頻率穩定計算時序圖

但由于光脈沖重復頻率不穩定，光脈沖之間的時間在變化，為了保證積分到光脈沖，T0的變化必須受到約束，其范圍為:

對于一束400 Hz，10 ns的光脈沖，T0=2．5 ms，Tw=10 ns，若取Ti=100μs，則ΔT0≈100μs，可得:

6 結論

移相式脈沖光探測器在相機同步、陣列靶同步采集、激光測距門控中的應用表明，該設備可以代替傳統的同步脈沖發生器、計數器等設備，具有體積小、易于集成到目標系統中去的優點，并且可以通過RS485總線由計算機進行在線監控，取得了較好的應用效果，是脈沖光科研生產中較好的基礎應用工具。

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