多功能光功率计研制

张晓峻，康　崇，孙晶华

(哈尔滨工程大学 理学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

多功能光功率计研制

张晓峻，康崇，孙晶华

(哈尔滨工程大学 理学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

摘要：设计了具有多量程切换挡位、多波长选择挡位、操作简便的多功能光功率计. 具体介绍了光功率计中PIN光电探测器的特性、前置放大电路设计方法和减小噪声的措施.

关键词：光功率;光电探测器;前置放大电路;噪声

1引言

光学实验是物理实验的重要组成部分，在国内外同类实验教学中，其实验项目占全部物理实验的25%以上. 光学实验内容丰富，涉及面很广，其内容涵盖了干涉、衍射、偏振及近代物理领域的激光技术、干涉计量等方面. 光学实验技术，特别是激光技术在当代科学技术领域中起到十分重要的作用.

光功率计是光学实验中的重要实验仪器之一. 通过学校实验技术研究立项，研制了光学多功能光功率计. 该仪器集演示性、验证性、设计性、综合性、研究性实验于一身，结构紧凑，精巧轻便. 实验内容新奇，实验现象奇幻，化抽象为具体，化枯燥为生动，把要研究的物理现象清楚地展示在学生面前，充分调动学生的积极性. 有助于学生由现象到本质，由表及里地全面认识问题，学会从实际出发实事求是地分析问题. 使学生充分地认识和较好地掌握光学技术的原理和应用，实现理论与实践互动. 该仪器特别加入了调制扩展口，学生可根据自己的想法查找相关文献资料，制作各种调制电路，培养学生动手能力和创新能力.

2系统设计

光功率计实验仪如图1所示. 根据光学多功能实验的需求，研制的光功率计具有3种量程200 μW，2 mW，20 mW，3种波段523 nm，650 nm，自然光. 200 μW的测量分辨率达0.1 μW[1].

图1　光功率计实验仪实物图

光功率计系统结构见图2，系统包括光电探测器、前置放大电路、量程切换校准电路、波长切换校准电路、调零电路、数字显示电路[2].

图2　系统结构框图

2.1　光电探测器

光电探测器把光信号转换成电信号，便于仪器仪表对信号的测量分析[3]. PIN光电二极管具有体积小，灵敏度高，低温漂，低反向偏压等优点，被广泛应用.

PIN光电二极管由P型和N型半导体材料组成，结构如图3所示. 在N型半导体中，电子是主要的载流子，而在P型半导体中，空穴是主要的载流子，在耗尽层中由于电荷的移动，造成两侧电荷的堆积，形成了由N区指向P区的自建电场，拦截空穴，使其不能继续扩散. 当光入射到耗尽层时，耗尽层中的电子吸收光子能量，并且跃迁到导带中，形成具有导电功能的光生载流子；它们在自建电场的作用下运动，空穴沿着自建电场方向向P区定向运动，而电子沿逆电场的方向向N区定向运动，光生载流子形成的电场因削弱了自建电场而产生了光电流. 入射光的光照越强，产生的光电流越大，这个过程把光信号转变成电信号[4].

图3　PIN光电二极管结构图

系统采用型号为HPI1KL5的PIN光电二极管. 波长响应特性曲线如图4所示，波长响应范围为450~1 050 nm，峰值波长920 nm. 指向性图如图5所示，方向视角-100°~+100°.

图4　波长响应特性曲线

图5　指向性图

2.2　前置放大电路设计

由于PIN光电二极管输出的是微弱的电流信号，所以需要低噪声前置放大器对信号进行放大处理，实现后续处理电路与光电探测器之间的阻抗匹配. 要求前置放大器噪声低，输入阻抗高，响应速度快，抗干扰能力强. PCB布线时，前置放大器靠近探测器件安装，采用铜屏蔽壳体实现良好的接地与屏蔽，消除环境噪声对测量的干扰.

图6　光电探测器基本放大电路

图7　优化的检测放大电路

此外，光电探测器带来的噪声有背景噪声、暗电流噪声和散弹噪声等，在设计电路时应减弱噪声的影响，提高信噪比[6].

3光功率计校准与应用

接通电源预热10 min以上，使电子器件达到热平衡状态，消除温漂的影响[6]. 然后将PIN探测器罩住，使照射在PIN探头上的光功率为零，调节调零电位器旋钮使数字式电压表读数为零. 用标准激光器照射PIN探头，调节使数字电压表读数为标准激光器的输出功率. 通过改变阻值，设置光功率计量程，满足不同的需求. 校准后的光功率计与Additional公司的光功率计进行测试比较，选用2 mW和20 mW量程，数据如表1，每个量程测量信号较弱时误差较大，但满足实际应用需求. 自研的光功率计在半导体泵浦激光实验中进行了应用[7]. 实验以808 nm半导体泵浦Nd3+∶YVO4激光器为研究对象，产生1 064 nm激光，在腔中插入KTP倍频晶体产生532 nm倍频光. 泵浦光源电流与倍频后的输出光功率测试结果见表2和图8，曲线满足半导体泵浦激光的特性.

表1　光功率的测量数据

表2　半导体泵浦激光实验数据

图8　泵浦光源电流-激光输出光功率曲线

4结束语

自研的光功率计具有测量精度高、成本低、操作简便、读数直观等特点. 解决了以往实验室使用的光功率计温漂大、稳定性差、指针不固定、读数困难等问题，解决了高精度数字光功率计价格昂贵的问题.

参考文献：

[1]关海艳，冯毅，何春凤,等. 光敏电阻综合演示仪的设计[J]. 物理实验,2014,34(2):25-27.

[2]周曼. 绝对辐射功率计[J]. 物理实验,1996,16(6):260-261.

[3]安毓英,曾晓东. 光电探测原理[M]. 西安：西安电子科技大学出版社,2004.

[4]B-BADD 1ication Bul1etin. Photodiode Monitoring with OpAmDS [Z]. 1995.

[5]陈张玮,李玉和,李庆祥,等. 光电探测器前级放大电路设计与研究[J]. 电测与仪表,2005,42(6):32-34.

[6]杨应平，陈梦苇，贾信庭. 四象限光电探测器实验装置的研究与应用[J]. 物理实验, 2014,34(5):29-32.

[7]郭培源,付扬. 光电检测技术与应用[M]. 北京:航空航天大学出版社,2006：89-120.

[责任编辑：郭伟]

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

中图分类号：TH741

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2015)05-0034-03

作者简介：张晓峻(1981-)，男，江苏泰州人，哈尔滨工程大学理学院讲师，博士研究生，从事光电信号检测方面的研究工作.

收稿日期：2014-06-03；修改日期：2014-10-23

“第8届全国高等学校物理教学研讨会”论文

资助项目：哈尔滨工程大学实验教学改革与实验技术研究立项(No.SYJG20131106);国家自然基金(No.61174192)