基于对数放大电路的激光光功率测量实验的设计＊

胡峥，邵莉芬，王玉珠，金张，高帆

基于对数放大电路的激光光功率测量实验的设计＊

胡峥1，邵莉芬1，王玉珠2，金张2，高帆3

（1.武汉市仪表电子学校，湖北 武汉 430205；2.武汉优科瑞特信息技术有限公司，湖北 武汉 430000； 3.安阳市中等职业技术学校，河南 安阳 455000）

随着对数放大技术广泛应用于光功率测量，基于对数放大技术测量光功率是中职光电相关专业学生需要掌握的专业技能。从教学实际出发，基于对数放大器LOG112和MCU8051F020单片机设计了激光光功率测量实验装置，该装置硬件电路简单，测量精度高，价格低廉，集演示性、设计性、综合性、验证性于一体。教学实践表明，学生能够充分地认识和较好地掌握光学技术原理和应用。

实验装置；光电二级管；光功率；对数放大

1 引言

光电产业是适应未来社会发展的战略产业[1]。目前，作为信息和能量载体的光电子，在信息的光显示、光存储和激光上，已形成了新兴的光电子工业，对各个国家的经济建设、社会变革、国家安全乃至整个社会发展起着难以估量的关键作用。中等职业学校光电相关专业致力于开展光电技术领域从事生产、设备装配调试与维护、检测、生产管理等工作，培养学生成为未来职业生涯发展的高素质技能型人才[2]。光功率测量是光电技术中最基本的测试技术之一，是学生需要掌握的专业知识和技能。传统的光功率测量是采用光电探测器将输入光信号功率转换为成正比的电信号，经过I/V变换和程控开关选择不同电阻来切换量程，这种光功率测量方法软硬件复杂、动态范围小，需要高精密电阻作为增益放大，换挡误差大[3]。随着对数放大技术的迅速发展，宽带对数放大器使得信号处理电路变得简单易行。对数放大技术可以在很宽的动态范围内保持很高的精度，已广泛用于光功率测量领域[4]，因此，让学生掌握对数放大技术测量光功率的方法十分必要。本文基于TI公司对数比放大器LOG112，开发了激光光功率测量的实验装置，该实验装置简单，集演示性、设计性、综合性、验证性于一体，使学生能够充分地认识和较好地掌握光学技术原理和应用，具有测量精度高，价格低廉，电路设计简洁、形象直观的特点。

2 系统设计及原理

系统由PIN光电二极器、对数放大器、WIFI通讯模块、微处理器和按键显示模块组成，如图1所示。光信号入射到光电探测器PIN上后，入射光功率与产生的光电流i成正比，经过对数放大器处理后起输出电压与输入光功率成正比，由微处理内置的A/D模块转换后，微处理器计算校准后将结果在LCD显示器上显示。其间，键盘可对微处理器进行控制，同时微处理器器对A/D的输出信号自动判别，通过Wi-Fi通讯模块可将测量值上传至PC端软件显示处理。

图1 光功率测量系统示意图

光电探测器采用PIN光电二极管。PIN光电二极管由高掺杂P型和N型半导体组成，在两个材料之间生长一层本征半导体材料或低掺杂半导体材料，称为I层，高掺杂的P区和N区非常薄，使得光子在耗尽区内能够被充分吸收，以利于提高量子效率和响应速度。因此，PIN光电二极管具有体积小、低温漂、低反向偏压、灵敏度高等优点。

本系统采用TI公司精密对数和对数比放大器LOG112，它是电流型输入，与光电倍增管、光电二极管等可直接连接。LOG112由对数运算电路复合而成，而且整个电路进行温度补偿。其工作电压在4.5～18 V，输入电流不能大于3.5 mA。

PIN光电二极管的输出电流可以经1、2任意一路输入，一般用1为转换电流的输入，2为基准电流的输入，电路图如图2所示，对数放大后的输出电压值如下：

经过对数放大后的电压值和输入光功率值呈线性关系，A/D转换也是线性变换，所以可以直接利用AD转换值来计算光功率，则测量光功率为：

=+（1）

微处理器选用Cygnal公司的MCU8051F020单片机，该单片机是一款高性能的数字/模拟混合微处理器，该芯片内置12位精度的A/D转换器，可直接利用集成的A/D转换器进行数据采集和处理，满足功率测量对ADC的要求。使用该芯片可省去时钟芯片、液晶驱动芯片、A/D转换芯片，使系统外围电路简洁、容易布板,也提高了整机的可靠性。 MCU8051F020芯片将信号发送给Wi-Fi通讯模块，Wi-Fi通讯模块与上位机通信，可以实现功率测量系统与上位机的信息通讯。电源模块负责向整个系统供电[5]。

图2 对数放大电路示意图

3 教学设计考虑

实验电路面板直观显示电路原理图，实际的元器件放置于电路板背面，所有支路节点均预留测试接口，方便学生用表或数字示波器等仪器测量电路各节点节点电压、信号频率和波形质量等数据，操作灵活。

对数放大电路输出端预留测试接口，PIN光电二极管与对数放大电路之间以接口形式连接，可以让学生验证不同材料PIN光电二级管对激光波长的响应度，学生可以将Ge和Si的PIN光敏二极管分别接入对数放大电路的输入端，测试对数放大电路输出值，从而验证不同材料的光电二极管的响应度。

改变入射激光功率，学生可通过对数放大电路输出端测试接口测试输出电压的变化，从而观察到不同的光功率引起对数放大器输出电压的变化。

4 光功率测量校准与应用

用标准光功率计测出激光输出平均功率，选用Newport公司的1936-C型功率计。改变激光器输出功率，利用微处理器测量对应的A/D转换值，采用最小二乘法拟合可得式（1）中和值。

实验用808 nm半导体泵浦Nd3+，以YVO4激光器为研究对象，产生1 064 nm激光，在谐振腔中插入KTP倍频晶体产生532 nm倍频光。激光功率实验数据如表1所示。激光输出功率与泵浦光源电流关系如图3所示。实验结果满足该激光输出光特性。

表1 激光功率实验数据

I/A0.1010.1120.1250.1440.1630.1720.1830.1990.2270.255 P/μW1.36.912.522.933.439.747.658.579.696.5

5 总结

针对光功率测量的实验要求，基于TI公司对数比放大器LOG112，开发了激光光功率测量的实验装置，PIN光电二极管采集光信号后，直接将电流信号输入LOG112对数放大器进行对数转换和放大，通过微处理器计算校准得到对应的光功率值。该装置硬件设计十分简单，测量精度高，教学性强，可以满足光电相关专业实验教学需要，有利于提高学生的专业技能，促进学生充分地认识和较好地掌握光学技术原理和应用。

［1］曹方，王凡.如何系统提升我国光电产业创新能力［J］.科技中国，2019（7）：54-57.

［2］张长春.中职光电专业学生职业核心素养评价体系的实践研究［J］.职业，2019，500（1）：63-65.

［3］孟波，沈晓菲，李兵兵.对数比放大电路在精密光功率计中的应用［J］.电光与控制，2008，15（10）：78-80.

［4］杨浩，刘译文，赵笠铮，等.基于AD8304对数放大器的高精度光功率计的设计［J］.实验科学与技术，2015，13（4）：215-218.

［5］陈德金，程亮，赵军.基于8051F020的数据采集分析系统［J］.中国测试，2009，35（2）：57-60.

TN248.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.19.013

2095－6835（2019）19－0035－02

胡峥（1966—），女，讲师，主要研究方向为电子测量。

王玉珠（1987—），女，工程师，主要研究方向为激光技术。

湖北名师工作室项目

〔编辑：严丽琴〕