一种窄脉冲激光的测量方法*

于红岩，荣宪伟，张伟光

(哈尔滨师范大学)

0 引言

随着激光的应用越来越广泛，窄脉冲激光尤其是纳秒级窄脉冲激光已经广泛使用，其中目前的纳秒窄脉冲激光器的脉冲宽度可达10 ns量级［1］.由于其脉冲宽度超窄，对窄脉冲信号的处理器的带宽要求高，后级信号的处理难度大，处理器的带宽限制了整个系统的性能［2］.在脉冲激光检测电路中，通常采用PIN光电二极管作为窄脉冲激光的光电转换元件，通过PIN光电二极管检测窄脉冲激光获取激光的脉冲电信号，然后脉冲电信号通过高速运放组成的脉冲峰值放大电路对脉冲信号的峰值进行放大，随后信号经过脉冲拓宽处理，用以降低对脉冲信号处理器的处理要求，最后信号经过一级射极跟随器电路，保证信号在处理器处理过程中不衰减，保持信号处理的可靠性，前级的放大电路以及脉冲信号的拓宽是窄脉冲激光接收系统的重要设计内容.

1 PIN光电二极管及其工作模式选择

作为光电探测器的接收装置，光电转换器件需要具有频带宽、灵敏度 高、线性输出范围宽和噪声低的特性［3］，因而综合考虑光电探测器的接收器选择PIN光电二极管.PIN光电二极管的光电流信号与入射光信号的功率成正比，PIN光电二极管接收脉冲激光的信号值可以通过电压值或电流值取得，因PIN光电二极管的信号电流值具有比信号电压值更好的线性特征和高带宽［4］.根据本系统的设计要求采用了零偏置下工作，如图1所示，光电导模式通过对光电二极管加反向偏压可实现较高的切换速度，但会牺牲线性，而且偏压越高，暗电流就越大，有次会产生较大的噪声电流，不利于微弱的窄脉冲激光信号的检测，零偏置模式由于不存在内部暗电流，其探测器输出噪声基本上是由分流电阻产生的热噪声，并且电路可充分利用器件的线性特征，比较适合精确的测量方面的应用.

其中对于PIN光电二极管在零偏置状态下工作的电路图如图1中所示，电路中运算放大器的选择是美国德州仪器的OPA657，该放大器的高增益带宽可达到1.6 GHz，可满足较高的工作需求.

图1 PIN光电二极管探测器在零偏置下工作电路图

2 前级放大电路

将PIN光电二极管接收到的窄脉冲激光信号转化为电信号后，因窄脉冲激光接收系统与发射电路间由于距离、干扰和一些其他影响，其接收到的窄脉冲信号比较微弱，信号的噪声较大，同时窄脉冲电信号的信号峰值在几十毫伏，对于后级测量系统来说难度巨大［5］.所以需要对窄脉冲激光产生的电信号进行放大，达到后级可处理的目的.

一般来说，窄脉冲激光的电信号的放大有两种方式，电压模式和采用I－V转换的跨导放大模式［6］.电压模式转换中，由于电路具有非线性放大效果，容易使输入信号与输出信号之间的放大成非线性效果，不利于高精度测量系统的应用，固采用I－V转换的跨导放大模式，使用跨导放大电路是利用跨导放大器将窄脉冲电流信号转换电压信号，由于光电探测系统中存在极间电容，运算放大器也存在输入电容，这些电容加在一起形成的总电容与反馈电阻组成滞后网络，引起输出电压相位滞后，容易引起运算放大器产生自激振荡［7］.

为了增加探测系同的增益和信噪比，可采用增加反馈电阻和跨导放大器的单位增益，这样会使探测系统的带宽和稳定性均得到满足，所以在窄脉冲激光探测电路中跨导放大器的选择非常关键.如图2所示，该放大电路采用AD8014运算放大器，AD8014是一款极高速放大器，－3 dB带宽为400 MHz，压摆率为4000 V/us，建立时间为24 ns，而且具有极低的电压和电流噪声以及低失真特性.同时图2中的电路简单，具备放大效果的同时可满足较高带宽要求.

图2 前级放大电路

3 脉冲扩宽电路

在窄脉冲激光信号接收系统中接收的信号最终目的是处理信号，所以信号处理的前级电路对于信号处理非常重要.为了达到简化处理难度，降低对后级处理器的性能要求(主要是处理器的带宽)，需要对纳秒级窄脉冲信号进行扩宽处理，对于接收到的窄脉冲电信号的脉冲宽度一般在十纳秒量级，如需对此脉冲信号进行检测，至少需要此脉冲宽度的时间范围内采集5个点，其带宽要求至少需要500 MHz，这样的带宽要求对于处理器来说要求非常高.

所以本系统采用了脉冲拓宽的方法来降低信号对于处理器带宽性能的要求，通过电路将窄脉冲电信号的脉冲宽度由ns级别拓宽至us级别，极大的降低了系统信号对于窄脉冲处理器的处理要求，降低了系统对于处理器性能的依赖.

对于脉冲拓宽电路来说，如图3所示，其核心器件为D1，D1作为一种快速恢复二极管，具有极高的响应速度，可满足系统的高带宽要求.纳秒窄脉冲信号通过D1给C1进行充放电，使纳秒窄脉冲信号拓宽为微秒级.

图3 脉冲拓宽电路

同时为了使拓宽后的脉冲信号在接入处理器采样的过程中不被后级处理器将信号拉低，在处理器与脉冲拓宽电路之间加入射极跟随器电路，保证信号在被采样过程中的不失真.

4 实验结果及总结

通过将窄脉冲激光接收系统的各级电路进行电路板的制作，将系统电路进行实验验证，利用示波器得到脉冲信号波形的试验结果如图4所示.

图4为脉冲拓宽电路输出波形，从波形看，可以看出原始25 ns脉宽的信号经过展宽以后，实现了保峰信号展宽，脉冲的宽度变为10 μs左右.这样可以大大降低ADC的采样速率要求.

图4 脉冲拓宽电路输入输出脉冲波形

该系统通过窄脉冲激光接收系统电路的设计，将输入信号为纳秒窄脉冲激光信号处理成微秒窄脉冲信号，降低对处理器ADC采样速率的要求，实现了系统的简化.

［1］陈宏哲，郑荣山，张英远，等.激光主动侦察技术应用［J］.光电技术应用，2007，22(2):19–21.

［2］杨海，孔正坤，李朝友，等.应用于检测超快激光脉冲的薄膜研究进展及其应用前景［J］.云南师范大学学报，1999，19(3):19–21.

［2］李常青，梅欣丽，明奇.微弱光信号检测电路的实现［J］.应用光学，2010，31(5):724–727.

［3］陈雷.用于防撞的半导体激光测量系统的研究［D］.硕士学位论文，黑龙江大学，2010.

［4］王星星，陈江伟，张旭野，纪晓轮，贾伟.基于AD5755的多通道多模式隔离信号变送器［J］.哈尔滨师范大学自然科学学报，2014，30(6):75–78.

［5］牛青坡，刘建新，高宠.用于窄脉冲激光目标特性测量的接收电路［J］.航空兵器，2013(1):62－64.

［6］于淼.应用于激光雷达系统的光学相控阵技术研究进展［J］.哈尔滨师范大学自然科学学报，2013，29(3):62－65.

［7］霍戌文，李伟，李进，等.光电探测微信号放大器设计［J］.浙江理工大学学报，2005，22(3):259–262.