多功能光功率計研制

張曉峻，康　崇，孫晶華

(哈爾濱工程大學 理學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

多功能光功率計研制

張曉峻，康崇，孫晶華

(哈爾濱工程大學 理學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

摘要：設計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. 具體介紹了光功率計中PIN光電探測器的特性、前置放大電路設計方法和減小噪聲的措施.

關鍵詞：光功率;光電探測器;前置放大電路;噪聲

1引言

光學實驗是物理實驗的重要組成部分，在國內外同類實驗教學中，其實驗項目占全部物理實驗的25%以上. 光學實驗內容豐富，涉及面很廣，其內容涵蓋了干涉、衍射、偏振及近代物理領域的激光技術、干涉計量等方面. 光學實驗技術，特別是激光技術在當代科學技術領域中起到十分重要的作用.

光功率計是光學實驗中的重要實驗儀器之一. 通過學校實驗技術研究立項，研制了光學多功能光功率計. 該儀器集演示性、驗證性、設計性、綜合性、研究性實驗于一身，結構緊湊，精巧輕便. 實驗內容新奇，實驗現象奇幻，化抽象為具體，化枯燥為生動，把要研究的物理現象清楚地展示在學生面前，充分調動學生的積極性. 有助于學生由現象到本質，由表及里地全面認識問題，學會從實際出發實事求是地分析問題. 使學生充分地認識和較好地掌握光學技術的原理和應用，實現理論與實踐互動. 該儀器特別加入了調制擴展口，學生可根據自己的想法查找相關文獻資料，制作各種調制電路，培養學生動手能力和創新能力.

2系統設計

光功率計實驗儀如圖1所示. 根據光學多功能實驗的需求，研制的光功率計具有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0.1 μW[1].

圖1　光功率計實驗儀實物圖

光功率計系統結構見圖2，系統包括光電探測器、前置放大電路、量程切換校準電路、波長切換校準電路、調零電路、數字顯示電路[2].

圖2　系統結構框圖

2.1　光電探測器

光電探測器把光信號轉換成電信號，便于儀器儀表對信號的測量分析[3]. PIN光電二極管具有體積小，靈敏度高，低溫漂，低反向偏壓等優點，被廣泛應用.

PIN光電二極管由P型和N型半導體材料組成，結構如圖3所示. 在N型半導體中，電子是主要的載流子，而在P型半導體中，空穴是主要的載流子，在耗盡層中由于電荷的移動，造成兩側電荷的堆積，形成了由N區指向P區的自建電場，攔截空穴，使其不能繼續擴散. 當光入射到耗盡層時，耗盡層中的電子吸收光子能量，并且躍遷到導帶中，形成具有導電功能的光生載流子；它們在自建電場的作用下運動，空穴沿著自建電場方向向P區定向運動，而電子沿逆電場的方向向N區定向運動，光生載流子形成的電場因削弱了自建電場而產生了光電流. 入射光的光照越強，產生的光電流越大，這個過程把光信號轉變成電信號[4].

圖3　PIN光電二極管結構圖

系統采用型號為HPI1KL5的PIN光電二極管. 波長響應特性曲線如圖4所示，波長響應范圍為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　波長響應特性曲線

圖5　指向性圖

2.2　前置放大電路設計

由于PIN光電二極管輸出的是微弱的電流信號，所以需要低噪聲前置放大器對信號進行放大處理，實現后續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，響應速度快，抗干擾能力強. PCB布線時，前置放大器靠近探測器件安裝，采用銅屏蔽殼體實現良好的接地與屏蔽，消除環境噪聲對測量的干擾.

圖6　光電探測器基本放大電路

圖7　優化的檢測放大電路

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，在設計電路時應減弱噪聲的影響，提高信噪比[6].

3光功率計校準與應用

接通電源預熱10 min以上，使電子器件達到熱平衡狀態，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，調節調零電位器旋鈕使數字式電壓表讀數為零. 用標準激光器照射PIN探頭，調節使數字電壓表讀數為標準激光器的輸出功率. 通過改變阻值，設置光功率計量程，滿足不同的需求. 校準后的光功率計與Additional公司的光功率計進行測試比較，選用2 mW和20 mW量程，數據如表1，每個量程測量信號較弱時誤差較大，但滿足實際應用需求. 自研的光功率計在半導體泵浦激光實驗中進行了應用[7]. 實驗以808 nm半導體泵浦Nd3+∶YVO4激光器為研究對象，產生1 064 nm激光，在腔中插入KTP倍頻晶體產生532 nm倍頻光. 泵浦光源電流與倍頻后的輸出光功率測試結果見表2和圖8，曲線滿足半導體泵浦激光的特性.

表1　光功率的測量數據

表2　半導體泵浦激光實驗數據

圖8　泵浦光源電流-激光輸出光功率曲線

4結束語

自研的光功率計具有測量精度高、成本低、操作簡便、讀數直觀等特點. 解決了以往實驗室使用的光功率計溫漂大、穩定性差、指針不固定、讀數困難等問題，解決了高精度數字光功率計價格昂貴的問題.

參考文獻：

[1]關海艷，馮毅，何春鳳,等. 光敏電阻綜合演示儀的設計[J]. 物理實驗,2014,34(2):25-27.

[2]周曼. 絕對輻射功率計[J]. 物理實驗,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. 光電探測器前級放大電路設計與研究[J]. 電測與儀表,2005,42(6):32-34.

[6]楊應平，陳夢葦，賈信庭. 四象限光電探測器實驗裝置的研究與應用[J]. 物理實驗, 2014,34(5):29-32.

[7]郭培源,付揚. 光電檢測技術與應用[M]. 北京:航空航天大學出版社,2006：89-120.

[責任編輯：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：TH741

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2015)05-0034-03

作者簡介：張曉峻(1981-)，男，江蘇泰州人，哈爾濱工程大學理學院講師，博士研究生，從事光電信號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屆全國高等學校物理教學研討會”論文

資助項目：哈爾濱工程大學實驗教學改革與實驗技術研究立項(No.SYJG20131106);國家自然基金(No.61174192)