蓝绿光波段脉冲激光大动态范围能量的测试方法技术

本发明专利技术公开了一种蓝绿光波段脉冲激光大动态范围能量的测试方法，主要工作过程如下：(1)通过改变激光器的泵浦能量值改变可调激光光源的脉宽、重频、泵浦功率，观察电压信号变化；(2)根据跨阻放大电路的放大倍数，测试出光电流大小；(3)利用光电倍增管(PMT)灵敏度与激光波长的关系，找到对应的探测器灵敏度和光电转换增益以及激光衰减倍数，测试出激光能量值，同时对比上位机设置发射激光的脉宽、重频、泵浦功率值，确保该计算方法发射信号的真实性。实验证明，本发明专利技术提出的方法可以完成大动态范围的激光能量测试，有能力测试出激光能量大小，且与使用能量计测试的结果误差在nJ级以内。内。内。

【技术实现步骤摘要】
蓝绿光波段脉冲激光大动态范围能量的测试方法


本专利技术涉及激光能量测量领域，尤其涉及一种光电法测试激光能量方法。
技术背景
激光能量是激光雷达探讨技术中的重要组成部分，也是研制激光器最基本的工作。近年来国内外进行大量测试研究，不断改进探测器和能量测量仪器，在该领域获得飞快发展。现有根据热电效应制成的能量计，热电元件会将吸收到的光能转化为热能，根据温度变化来计算激光能量，还可以通过温度变化导致的次级效应来测量激光能量；现有以光电式探测器或者半导体光电二极管作为传感器件的光电式探测器，光信号转换为电信号后，电信号经过电荷积分器得到与输入光脉冲能量成正比的电压信号，从而测量出激光能量值；现有用热电堆或热释电材料作为传感器的吸收性探测器，即让激光与吸收体充分作用，再用热电传感器测试吸收体的上升的温度，从而得到吸收体的热量值，即为激光能量值。针对以上现有激光能量测试方法，本专利技术针对不同深度的激光能量测试，会受到能量计的量程限制，无法兼顾浅水通道的强激光能量和深水通道的弱激光能量测量这些问题，设计了一种针对蓝绿波段的脉冲激光能量测试方法。

技术实现思路

本专利技术设计了一种蓝绿光波段脉冲激光大动态范围能量的测试方法。可以对不同深度的激光能量测试，且不受能量计的量程限制，为了实现上述功能，本设计主要依靠以下理论：激光能量测试主要包括两个部分：高速光电探测电路和激光参数测量。高速光电探测电路有着很高的探测灵敏度和电路带宽，有能力探测到水面通道的强激光回波信号，也能探测到水下通道蓝绿波段的微弱光信号回波，而脉宽参数测量主要保证该测量方法的真实性。
[0009]所述高速光电探测电路包括：光电倍增管(PMT)、跨阻放大器(TIA)、阈值比较器、电流基准、输出驱动等模块构成。结构图如图1。所述激光参数包括：激光脉宽、激光重复频率、激光泵浦功率。进一步，所述光电倍增管(PMT)选用的是日本滨松公司的H11526系列的PMT模块，它的重复频率为10KHz，该模块里面的内部高压电源可以外接一个滑动变阻器来改变模块的控制电压，方便实验时调整控制电压来改变PMT增益。进一步，所述跨阻放大器(TIA)选用了OPA847芯片的放大电路，该电路的偏置电流很低，带宽是4.2GHz。放大电路采用
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6.5V供电，可以将电路输入口接上PMT模块的输出端，电路的输出口接入示波器。进一步，所述阈值比较器是对两个或多个数据项进行比较，以确定它们是否相等，
或确定它们之间的大小关系及排列顺序称为比较。能够实现这种比较功能的电路或装置称为比较器。进一步，所述基准电流是指在要求绝对测量的应用场合，其准确度受使用基准值的准确度的限制。进一步，所述输出驱动一般采用RS232驱动模块和SMA输出接口。本专利技术是一种蓝绿光波段脉冲激光大动态范围能量的测试方法，主要工作过程如下：改变可调激光器的泵浦能量，产生当光脉冲信号照射到探测器光敏面上，实现光信号到电流信号的转换，电流信号输入TIA电路，实现电流信号到电压信号的转换，TIA输出的电压信号接入比较器，比较器充当模数转换器(ADC)的功能，所以当TIA输出达到比较器翻转阈值时，比较器就会翻转一次，从而表示光信号的探测结果。
附图说明
图1为本专利技术实施例的的系统总体设计结构框图图2为本专利技术实施例的光电探测电路结构图图3为本专利技术实施例的日本滨松公司的H11526
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NN型PMT响应度与激光波长的关系图图4为本专利技术实施例的激光器上位机控制面板图(ConLAS)图5为本专利技术实施例的实验装置原理图图6为本专利技术实施例的基于PMT模块的实验测试图图7本专利技术实施例的激光能量测试实验结果图
具体实施方式
下面结合实施例说明本专利技术一种蓝绿光波段脉冲激光大动态范围能量的测试方法。本专利技术是一种一种蓝绿光波段脉冲激光大动态范围能量的测试方法。具体实施过程如图1所示。整个系统的工作过程如下：首先通过改变激光器的泵浦能量值改变可调激光光源的脉宽、重频、泵浦功率，观察电压信号变化；再根据跨阻放大电路的放大倍数，测试出光电流大小；其次利用光电探测器灵敏度与激光波长的关系，找到对应的探测器灵敏度和光电转换增益以及激光衰减倍数，测试出激光能量值，同时对比上位机设置发射激光的脉宽、重频、泵浦功率值，确保该计算方法发射信号的真实性。最终实验证明，本文提出的方法可以完成大动态范围的激光能量测试测试出激光能量大小，且与使用能量计测试误差不大。测试蓝绿波段光(532nm)的激光器，将激光器连接RS232接口改变激光器串口至COM3。用线性直流电源调整激光器的电压至正常工作电压范围。打开ConLAS激光器软件，调制激光泵浦功率归零，将泵浦功率的步进值设为100mW或者500mW，逐步增加激光能量来保证探测器的安全。随后使用能量计测试激光功率，按着测试的数值选择能量计的合适量程再做测试，如激光能量偏高，则采用能量衰减片来衰减激光能量。最后固定PMT的接收窗口，让激光按照固定的角度打至光敏面，来观察示波器中的电压触发信号变化，并记录电压数值。
按着PMT的工作时序图设置好信号发生器,因为PMT需要门控功能来区分接收的光是由水面产生还是水底产生的，需要在信号发生器中设置好激光射到水面所需时间，这个过程PMT处于关闭状态，接着激光到达水面后开启门控开关，来接收水底回波信号。测试前，需要在ConLAS软件中将触发方式改为由信号发生器来控制的外部触发。激光器上位机控制面板图如图4。将外界信号发生器的信号调至脉冲信号，选择占空比0.1％，高电平在3.5V到5V，低电平选0，周期为5us，脉宽是5ns，上升时间为2ns，下降时间为6ns。选择探测器时需要查看是否有门控功能，以及门控功能是选用常开还是常闭等，按着对应的时序图设置信号发生器参数。一般使用这种外部信号触发功能的激光实验只可用于机载实验测试，而不适合船载测试，因为离水面距离太近，水面信号的门控时间无法精准控制。另外，要根据需要接收的激光波长波段选择合适的光电探测器。一般选择峰值灵敏度在最接近的波段作为探测光。具体实验中PMT需要信号发生器对其进行时序控制，并且PMT的增益会随着控制电压实时改变。一般控制电压为0.4V到0.9V，可以控制放大增益在103到107。因为此PMT模块为电压输出型模块，内部集成的跨阻放大电路增益D为0.1V/uA和1V/uA。以图7测试结果为例，示波器探测到的电压V为0.291V，控制电压是0.9V，PMT的增益是5
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106，PMT响应度与波长关系见图3，对应532nm的响应度为40mA/W。PMT模块的跨阻放大增益为0.1V/uA,脉宽为5ns。选用了60dB叠加60dB的衰减片，将激光功率衰减了9
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倍。按照PMT探测器的光电转换和跨阻放大过程，可以测试出激光能量，可以表示为：J＝V/(Gain
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M)
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D。式中，M为波长532nm时PMT的激光响应度；D为激光脉宽；V为示波器测试电压值；Gain为PMT增益。J＝V/(Gain
×<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种蓝绿光波段脉冲激光大动态范围能量的测试方法主要包括高速光电探测电路和激光参数测量；高速光电探测电路有着很高的探测灵敏度和电路带宽，有能力探测到水面通道的强激光回波信号，也能探测到水下通道蓝绿波段的微弱光信号回波，而脉宽参数测量主要保证该测量方法的真实性。2.根据权利要求1所述的述高速光电探测电路，其特征在于选用了光电倍增管(PMT)作为光电探测器，选用了跨阻放大器(TIA)实现电流与电压之间的转变，最后选择了阈值比较器、电流基准、输出驱动等模块实现信号输出。3.根据权利要求1所述的激光参数，其特征在于计算了激光脉宽、激光重复频率、激光泵浦功率等参数，以保证测量出的激光信号与发射激光信号保持一致。4.根据权利要求2所述的光电倍增管(PMT)，其特征在于选用的是日本滨松公司的H11526系列的PMT模块，它的重复频率为10KHz，该模块里面的内部高压电源可以外接一个滑动变阻器来改变模块的控制电压，方便实验时调整控制电压来改变PMT增益。5....

【专利技术属性】
技术研发人员：周国清，谭逸之，
申请(专利权)人：桂林理工大学，
类型：发明
国别省市：