基于光电二极管S－PD850和DSP的激光功率探测器研究

王振 （武汉工程大学电气信息学院，湖北 武汉430071）

激光作为工业加工光源被广泛应用于金属切割、焊接和标刻等领域，在加工过程中光源的稳定性对加工效果的影响至关重要，因而激光功率的检测必不可少。同时，为了满足激光功率的实时调整，检测精度和检测响应速度则是衡量激光功率探测器的重要指标之一［1，2］。目前，国内市场所使用激光功率探测仪均主要是检测连续输出功率，其检测精度较高、成本贵，但是响应速度慢，不能作为实时稳定激光输出的反馈检测设备进行使用［3－4］。为了解决上述问题，笔者设计了一种基于光电二极管S－PD850和DSP（数字信号处理器）的激光功率探测器，其利用光电探头的高响应度和DSP处理的高速性实现激光功率的实时采样与校正。

1 系统结构

研究中使用的激光器波长1064nm，平均功率最大2000W，检测数据为其输出的平均功率大小，其整体结构图如图1所示。采用光敏二极管作为激光功率检测的前置探测器，其输出经过信号调制送入AD采样模块中进行采样，采样结果送入DSP中计算校正获得的功率信号即可作为数字信号反馈，也可作为0～5V的模拟信号反馈给激光器进行功率闭环调节。

光敏二极管的光探头采用S－PD850，其原因是S－PD850的响应速度快（实测可达到10kHz以上），同时感光光谱包含1064nm。具体光谱响应曲线图如图2所示。

图1 系统结构框图

2 硬件设计

系统硬件主要指AD采样模块前端，AD采样模块前端的主要任务是滤除暗电流产生的误差和滤波。AD采样模块前端的设计重点是光敏二极管的信号调制，其原理图如图3所示，其中EC3、EC5使用钽电容，因而具有较好的滤除电源纹波的效果。采用频带较宽的运算放大器可减少信号失真，利用R10和C9构成一阶滤波电路滤除杂波，同时将PR2用于设定补偿电流以弥补光电二极管暗电流所产生的误差。

图4所示为探测激光脉动输出下的电压波形，脉动频率为10kHz，其稳定性、响应度可以满足设计要求。

AD采样模块前端使用分辨率为10位的TLV1572，其采样速率为1.25MSPS，且能与DSP直接连接。AD采样模块前端实物图如图5所示。

图2 S－PD850光谱响应曲线图

图3 光敏二极管前端设计原理图

图4 探测激光脉动输出下的电压波形图

图5 AD采样模块前端实物图

3 补偿软件设计

AD采样模块后端的主要任务是进行AD采样数据读取和校正。因为激光经过一路衰减后送入光电二极管，且路径长短以及入射光电二极管的角度均会引入误差，为此通过对标准源测定得到的补偿表来修正误差。所以为了满足光电二极管的响应速度和补偿计算速度，该试验采用DSP处理器进行相关运算处理。采样补偿流程图如图6所示。在读取AD采样数据后首先进行中值滤波，然后将滤波值对照补偿表区间进行补偿，并最终输出补偿后的数据。图7所示为软件总流程图，在起始阶段启动采样周期定时器进行采样，然后通过判断采样标识，再读取补偿后功率值并进行相关处理输出。

4 仿真试验

因为被测激光器的输出总功率为2000W，所以不能直接将光敏二极管对准激光器的输出光路，而是需要在检测端前放置衰减片和透射率为1%的反射镜（见图1），这样激光器输出光束经过该反射镜，会透射与功率成比例光束，该光束再经过衰减片后使光功率满足光敏二极管的最大接收功率后才投射在其上进行功率探测。标准功率与未校正功率和校正功率数据对比表如表1所示。由表1可知，校正功率与标准功率误差小于±1%，而未校正功率与标准功率误差在－1%～5%，且该误差随激光器的输出功率变化而变化。

图6 采样补偿流程图

图7 软件总流程图

表1 标准功率与未校正功率和校正功率数据对比表

5 结语

S－PD850具有较高检测精度和响应速度，可以快速准确测量激光输出功率。通过给出的前端硬件检测电路和软件处理流程，可补偿因探测点位置变动和光路衰减单元的变化引起的测量误差。仿真试验时采用高速DSP处理器运算补偿，通过对比试验数据，发现经过校正后的检测值与标准检测值之间误差小于±1%，说明该设计方法具有较高的实用价值。

［1］张兴奎 .激光功率检测技术研究 ［D］.长春：长春理工大学，2009.

［2］祝敏，陆耀东，满春阳，等 .大功率高速半导体激光峰值功率测试技术研究 ［J］.光电子·激光，2006，17（11）：1343～1345.

［3］王振 .激光脉冲峰值功率实时检测的研究 ［J］.应用激光，2011，31（5）：409～413.

［4］嵇晓强，戴明，张秋鄂 .基于AD7705的在线激光功率检测系统设计 ［J］.现代电子技术，2009（6）：165～167.