快速光电探测系统响应时间精密测量装置

韩强盛,张保洲,卢利根 ,艾明泽

(1.北京师范大学天文系，北京 100875；2.北京市应用光学重点实验室，北京 100875；3.辽宁省计量测试研究院，辽宁 沈阳 110000)



快速光电探测系统响应时间精密测量装置

韩强盛1,张保洲1,2,卢利根1,2,艾明泽3

(1.北京师范大学天文系，北京 100875；2.北京市应用光学重点实验室，北京 100875；3.辽宁省计量测试研究院，辽宁 沈阳 110000)

快速光电探测系统或光电探测器，在频闪光源和动态显示目标的光度测量中应用十分广泛。给出了一套准确测量光电探测系统或光电探测器响应时间测量装置，该装置适于测量的光电探测系统的响应时间极限为10-7s，为了验证激光方波信号的质量，还采用光电倍增管(PMT)作为快速探测器制备了快速光电探测系统，因此本装置还具有测量频闪光源和动态显示目标瞬态光度的能力。

光电探测系统；响应时间；激光方波信号；瞬态测量；Lab-view

引言

光电探测系统能够将外界输入的光信号转换为电信号输出，转换速度的快慢取决于探测系统的响应时间。近年来，闪光源、动态显示目标、快速激光等应用日益广泛，对这些瞬态变化的辐射源的研究和评价都会涉及到对它们的光度测量[1-15]以及相关测量设备。随着这些应用瞬态变化辐射源水平的提高，对光电探测器响应时间测量精度的要求也日益提高，相应地提出了高精度测量光电探测系统响应时间手段的需求。然而，目前市场上罕见能够用来准确测量快速响应光电探测系统响应时间的完整装置，造成在瞬变光源光度测量领域测量方法科学性和可靠性的缺失，常常出现不同测量装置获得的结果差异性很大的现象，这也是大家仍然不断探讨和关注光电探测器或光电探测系统响应时间的测量更佳方法和手段[16-31]。

针对上述情况，本研究旨在设计出一套能够准确测量光电探测系统或光电探测器响应时间的装置。就目前常见的测量光电探测系统或光电探测器响应时间的方法而言，直接根据响应时间定义，电探测系统或光电探测器对方波辐射信号响应上升沿的时长还是其最佳的表征。基于这样的考虑，装置的光源采用直接调制激光器来获得测量用的高质量激光方波信号(上升沿时间10-8s)，并利用快速放大电路和高速数据采集卡来构造信号放大和采集系统，最后在Lab-view虚拟仪器开发平台上对测量结果进行计算和显示。为了验证获得的激光方波信号和快速放大电路能够满足测量要求，我们使用快速雪崩二极管(APD)和光电倍增管(PMT)作为快速探测器制备了快速光电探测系统来对调制激光信号进行采集验证。实验表明该装置适于响应时间不小于10-7s光电探测系统或光电探测器的准确测量。

1 装置的结构

1.1 响应时间测量原理

响应时间是表征光电探测系统或光电探测器对光辐射响应速度快慢的参数，用响应信号相对于输入信号的延迟时间来表示。对于光电探测探测器，传统上常利用其对脉冲信号响应图形中从开始上升到上升至峰值的70%所需时间来表征响应时间[32]，一方面由于噪声的存在使得开始上升的位置难以准确选择；另一方面，由于存在干扰和变形的存在，脉冲响应图形峰值常常存在一定的失真。实践表明利用利用其对方波信号响应图形上升沿来确定响应时间更为严格。通常可以用方波信号响应图形上升沿中从达到坪区10%到上升至坪90%所需时间来表征响应时间，称为光电探测器的上升时间。因此测量响应时间最主要的是要获得比较理想的方波光辐射信号，即光方波信号的上升沿具有很好垂直度，而且要有准确放大和呈现光电探测探测器输出电信号。

1.2 响应时间测量装置的结构

图1是装置的结构示意图。从图1中可以看出，装置围绕被测探测器(或系统)主要由四部分构成。

光脉冲信号产生模块主要包括了产生调制电信号的信号发生器和作为光辐射源的激光器。激光器在信号发生器的调制下，可输出比较理想的方波光辐射信号，测试时方波光辐射信号直接投射到光电探测探测器的光敏面上，信号的强度可以通过信号发生器调节和控制。

图1 装置的结构示意图Fig.1 The structure of the equipment

信号调理模块主要由滤波和放大电路构成，其作用是将被测探测器获得的电信号转换(如果是电流信号)和放大成适于采集的电压信号后，传输至数据采集卡。当然，对于光电探测系统，即被测自身具有输出模拟信号的能力，测试时就无需这个模块。

数据采集模块主要由高速数据采集卡构成，其作用对信号调理模(对于被测为光电探测器)或被测光电探测系统输出的电压信号进行采集并形成数字信号后，传输至计算机。对于被测是自身具有输出数字信号能力的光电探测系统，测试时光电探测系统输出的数字信号可直接传输至计算机，测试时就无需经过信号调理和数据采集模块。

信号处理及结果显示模块主要由计算机和专用软件构成，其作用对数据采集模块(对于被测为光电探测器或带模拟输出的光电探测系统输)或带数字输出的光电探测系统输入的数字信号进行处理并呈现测量图形和结果。

2 装置的性能

2.1 方波光辐射信号

由于半导体激光器具有阈值低、频率响应高、响应速度快等优点。装置采用电压TTL信号来调制半导体激光器来获得测量所需要的方波光辐射信号。某公司生产的33600系列的数字信号发生器输出的方波调制电压信号，驱动可调制的半导体激光器形成方波光辐射信号。图2是用高频示波器采集到的信号发生器输出的方波电压信号，通过调节脉冲幅度和偏置电压，可以调节和控制信号的强度。图2(a)为调制的高频方波电压信号概貌，图2(b)为相应方波上升沿电压信号细节。由图2可见，信号发生器输出的电压方波信号上升沿时间仅大致为5 ns。

实验中使用的半导体激光器响应时间非常短，响应时间在三个纳秒左右。我们利用信号发生器产生的电压方波信号来对半导体激光器进行TTL调制。

图2 信号发生器及其输出电压信号波形图Fig.2 Signal generator and its output voltage signal waveform

2.2 方波光辐射信号上升沿垂直度

为了验证通过直接调制激光输出的方波信号上升沿垂直度满足设计的要求，采用First Sensor公司生产的快速雪崩二极管(APD)为探测器，其标称响应时间仅为0.35 ns。在测量过程中，通过给雪崩二极管加偏置电路，以让二极管工作在雪崩放大条件之下。偏置电路如图3(a)所示，实测得到的信号如图3(b)所示。

由图3可见，经电压直接调制可以得到上升沿垂直度非常好的方波光辐射信号，上升小于10 ns。

2.3 快速放大电路

快速放大电路承担着把被测探测器获得的电信号转换(如果是电流信号)和放大成适于采集电压信号的任务，其采样速率应当不使被测探测器获得的电信号产生影响结果的延时。放大电路的原理图如图4所示，为了满足快速放大的要求，放大电路选用OPA656运算放大模块来对输入电流信号进行放大。OPA656 结合有一个超宽频带、单位增益稳定、电压反馈运算放大器，此运算放大器适用于超高动态范围的信号放大电路，能满足不同等级强度的电流信号的放大需求。

为了充分利用高速数据采集卡的分辨率，需将待测探测器输出的电流信号或者电压信号放大到接近数据采集卡的输入电压范围。

2.4 快速放大电路速率

为了验证快速放大电路的速率，采用光电倍增管作为探测器作为被测探测器来测试快速放大电路探测的响应速率，由于PMT的上什时间为ns量级，所以只要测试得到的结果大于10 ns，就可以将测试结果视为快速放大电路探测的响应速率。图5就是PMT作为被试时快速放大电路的实际输出电压波形。由图5可以看到，PMT作为被试时激光方波信号经快速放大电路输出较理想的方波，其前沿上升时间约为60 ns，这也就是快速放大电路的响应速率。

图3 APD采集方波光辐射信号上升沿波形图Fig.3 Rising edge of the waveform for the square wave radiation signal collected by APD

图4 放大电路的原理图Fig.4 Amplifying circuit

图5 PMT作为被试，快速放大电路的输出电压波形Fig.5 Output voltage waveform of the amplifying circuit when the PMT is the testor

2.5 数据采集卡和LabVIEW虚拟仪器(VI)开发

数据采集卡将对快速放大电路输出的信号(对于被测为光电探测器)或被测光电探测系统输出的电压信号进行采集并形成数字信号后，传输至计算机。因此，数据采集卡的采样速率应略高于快速放大电路的响应速率。装置中采用的PCI-8514高速数据采集卡，具有14位采样精度，最高采样频率为80MHz，支持单端四通道同步模拟量输入。它采用DMA方式进行数据采集，具有512MB的缓存存储容量。为了证实数据采集卡的实际采样速率，用它对信号发生器给出的高速调制方波电信号进行直接采样，结果表明高速数据采集卡可以实现80MHz的采样频率(见图6)。

图6 装置的结果显示界面Fig.6 Result desktop of the equipment

为了使装置实现在数据处理、显示、传送和存储的智能化，并加强装置在扩展能力，装置在软件方面还进行了虚拟仪器开发，由于数据采集卡自带了DLL动态链接库，提供了许多上层用户函数，这使得用户不必了解复杂的数据采集卡硬件线路和控制细节，在只需要知道采样通道、频率和采样数等一些基本参数的情况下，便能够通过Labview的库函数节点(CLF)访问动态链接库从而实现对信号的采集和数据的处理，图6是装置的结果显示界面。

3 结论

本研究完成了一套能够直接按照定义准确测量光电探测系统或光电探测器响应时间的装置。基于这样的考虑，装置的光源采用直接调制激光器来获得测量用的高质量激光方波信号(上升沿时间10-8s)，利用快速放大电路和高速数据采集卡来构造信号放大和采集系统，最后在Lab-view虚拟仪器开发平台上对测量结果进行计算和显示。经快速雪崩二极管(APD)和光电倍增管(PMT)作为快速探测器制备的快速光电探测系统来对调制激光方波信号和快速放大电路进行采集验证。实验表明该装置适于响应时间不小于10-7s光电探测器或光电探测系统的准确测量。由于在构建装置的过程中，采用光电倍增管(PMT)作为快速探测器制备了快速光电探测系统，因此本装置还具有测量频闪光源和动态显示目标瞬态光度的能力。

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The Precision Measuring Device of Response Time of High-speed Photoelectric Detection System

Han Qiangsheng1, Zhang Baozhou1,2, Lu Ligen1,2, Ai Mingze3

(1.DepartmentofAstronomy,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China;2.BeijingKeyLaboratoryofAppliedoptics,Beijing100875,China;3.InstitutionofMeasurementandTestingofLiaoningProvince,Shenyang110000,China)

High-speed optical detection system or photoelectric detectors have been widely applied in the photo-metric measurement of strobe light and targets of dynamic display. This paper presents a set of measurement device that can complete accurate measurement of response time of the photoelectric detection system or photoelectric detector, and this device is capable of measuring the fastest response time of 10-7s. In order to verify the quality of the laser square wave, a photo-multiplier tube (PMT) is prepared as the detector of a fast optical detection system. So this device also has the ability to measure the instantaneous luminosity values of strobe light and dynamic-displaying targets.

photoelectric detection; response time; laser; measurement; data acquisition card; Lab-view

张保洲，E-mail:zhangbzh@bnu.edu.cn

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.02.001