大动态范围窄脉冲激光参数测量探头

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1、第２２卷第５期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．５２０１０年５月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＭａｙ，２０１０文章编号：１００１４３２２（２０１０）０５１００９０４大动态范围窄脉冲激光参数测量探头张宝东，秦石乔，王省书，杨云涛（国防科学技术大学光电科学与工程学院，长沙４１００７３）摘要：设计了一种双探测器结构的窄脉冲激光参数测量探头，解决了大动态测量范围和高速放大电路高增益时信噪比低的矛盾。通过对探头前端的光学特性进行分析，给出了均匀照射时探头前端的照度传递系数，并且对非均匀照射情况下可能的最大模型误差进行了分析，指

2、出增大漫透射陶瓷片与探测器的距离和减小出光孔径有利于降低模型测量误差，减小双探测器偏离光轴的安装距离有利于提高两个探测器的测量一致性。测试表明，对于１０ｎｓ脉宽的１．０６４μｍ激光，所研制的探头在５０ｎＪ～８ｍＪ范围内的测量误差低于±９％，输出激光脉冲波形幅度在０．７～１．４Ｖ之间。利用推导出的照度传递系数公式还测出了漫透射陶瓷片的透过率为０．６０，测量误差为±１．７％。关键词：激光探头；大动态范围；双探测器；漫透射陶瓷；不一致性中图分类号：ＴＮ２４７文献标志码：Ａ犱狅犻：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１０２２０５．１００９在激光指示器和激光有源干扰等装

3、备的靶场鉴定中，激光的远场能量分布是评价这类装备效能的主要指［１５］标。在采用阵列法与成像法相结合进行定量测量脉冲激光远场参数的实践中，需要设计一种能够测量４倍的测量１．０６４μｍ脉冲激光远场能量密度和峰值功率密度的激光探头，同时还要求该探头需要达到２×１０动态范围，且能够输出激光脉冲波形给后续电路。激光能量／功率测量常用光热、光压和光电等类型的探测［６９］器。前两种类型探测器由于响应速度慢，不能输出窄脉冲激光波形信号，无法满足应用需求。而以ＰＩＮ光电二极管为代表的光电探测器由于具有灵敏度高、响应速度快和线性响应动态范围大等优点，因而是本系统理想的光

4、电转换器件。虽然ＰＩＮ光电二极管的线性响应动态范围能够达到甚至远超过系统的测量要求，但为了维持一定幅度的脉冲激光波形输出，光电转换之后的放大电路必须在很大增益范围内进行调整，这对于带宽超过１００ＭＨｚ的放大电路来说，在高增益时的噪声会非常显著，信噪比完全不能接受。为了解决大动态测量范围和高速放大电路高增益时信噪比低的矛盾，本文提出了一种双探测器结构的激光探头设计，可大大降低电路的增益范围和噪声。针对由双探测器结构引发的光学衰减和响应一致性问题进行了重点研究。１探头结构及工作原理激光探头采用双探测器并列结构，在其中一个探测器前安装光学衰减片，使得两个探测器

5、对量程进行分工。为了保证探测器工作在线性区同时消除两个不同位置处探测器的测量误差，在探测器前一定距离处设计有漫透射陶瓷片和光阑。如图１所示，激光探头的机械结构分为探头前端（光学部分）和探头主体（电路部分）Ｆｉｇ．１Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｌａｓｅｒｐｒｏｂｅ图１探头设计和工作原理图收稿日期：２００９１１０２；修订日期：２０１００１２６作者简介：张宝东（１９７７—），男，博士研究生，主要从事光电对抗和光电仪器与测控技术方面的研究；ｚｂｄ＿７７＠１２６．ｃｏｍ。１０１０强激光与粒子束第２２卷两部分。前者包括漫透射陶瓷片、光阑、窄带滤

6、光片和衰减片；后者主要包括ＰＩＮ光电探测器和电路。其中电路从左至右依次设计有前置放大器、高速模拟开关、可变增益放大器、波形输出驱动、脉冲峰值检测、脉冲波形积分、内置模数转换器的单片机、温度传感器和电源模块。被测激光经过漫透射陶瓷片、光阑和窄带滤光片入射到ＰＩＮ光电二极管进行光电转换。单片机根据信号强度选择一路探测器前置放大器的输出送给可变增益放大器，同时将可变增益放大器的增益设置为适当值，放大后的信号再分别送给波形输出驱动电路、峰值检测电路和波形积分电路。其中峰值检测电路的输出对应脉冲激光的峰值功率，波形积分电路的输出对应激光的脉冲能量，两者输出经过模数

7、转换后经由串口传给上位机。直接输出的脉冲波形信号可由后续处理电路或示波器进行脉宽和时序等信息的测量分析。２均匀照射时的照度传递系数探头前端的照度传递系数定义为探测器光敏面的接收照度与探头的入射照度之比。在不考虑衰减片的情况下，探头前端包含漫透射陶瓷片、光阑和窄带滤光片。漫透射陶瓷片采用半透明氧化铝陶瓷，其内部气孔能够改变透射光的方向，使得透射光接近朗伯特性，即各个方向的亮度相等；光阑起到限制入射光孔径从而调整探测器光敏面照度的作用；窄带滤光片起到滤除背景光以降低探测器电流散粒噪声的作用。为简便起见，先分析一个探测器位于光轴之上的照度传递系数，如图２所示。

8、设照度为犈ｉ的均匀激光照射到漫透射陶瓷片上，则陶瓷片的出射亮度犔可表示为犔＝τ犈