專利名稱：激光脈沖信噪比測試儀的制作方法
技術領域：
本發明是一種激光脈沖信噪比的測量儀器，主要用于對紅外至紫外波段、亞毫微秒或皮秒寬度的高功率激光脈沖進行信噪比測量。
已有技術中，Urakami等人申請的美國專利"Optical Waveform MeasuringDevice"，Patent No.5168164，Date of PatentDec.1，1992是一種采用光對光取樣測量光脈沖波形的儀器。如圖1所示的是一種光波形測量儀的基本原理框圖，它主要包括取樣光脈沖發生器1、光延遲器2、控制單元3、顯示器4、電子管5、透射與反射鏡片6。由光脈沖發生器1產生取樣光脈沖經光延遲器2延遲后通過透射與反射鏡片6透射至電子管5的多光子吸收型光電陰極上，電子管5送出光電轉換信號至顯示器4的縱向掃描端。控制單元3有兩路控制輸出，一路控制光延遲器2實現對取樣脈沖的延時調節，另一路控制顯示器4的橫向掃描端。透射與反射鏡片6既用于透射光延遲器2的輸出光，又用于反射被測光20脈沖。透射與反射鏡片6的透射光和反射光共線入射至電子管5的光電陰極上。這里的光取樣也就是透射與反射鏡片6的透射光對透射與反射鏡片6的反射光的取樣。在此儀器中，取樣光的波長和被測光的波長均大于電子管5的光電陰極靈敏度區域的上限波長，以使得電子管5靈敏地實現雙光子吸收和單光電子釋放過程。取樣光脈沖與被測光脈沖時間同步。當光延遲器2受控制單元3控制而有序輸出不同時間點的取樣脈沖時，被測光脈沖波形在時間上受到取樣，獲得雙光子和單光電子轉換。顯示器4上將反映被測光的掃描波形。
該測量儀器采用重復頻率光對光時間取樣，僅用于對重復頻率輸出的激光脈沖波形進行測量，不能用作測量光脈沖的高信噪比值，更不能用于對單次工作狀態下的高功率和極高信噪比的激光脈沖進行信噪比定量測量。
本發明的目的在于針對已有技術中光脈沖波形測量儀在測量激光脈沖信噪比方面的局限性，重新設計一種全自動、高性能高功率激光脈沖信噪比測試儀，以致它能夠記錄并分析單次輸出的激光脈沖中微弱預前噪聲脈沖的相對大小。
圖1是已有技術光波形測量儀的基本原理框圖。
圖2是本發明激光脈沖信噪比測試儀示意圖。
圖3是本發明光電轉換門結構圖。
圖4是本發明峰值保持電路圖。
參見圖2所示本發明激光脈沖信噪比測試儀示意圖。本發明主要包括四個部分低壓直流多路電源7;光電轉換與峰值保持系統8、計算機系統9和導光鏡片組10。
低壓直流多路電源7有三個電壓輸出+15V、+5V、-15V。光電轉換與峰值保持系統8裝配于金屬屏蔽盒中，光電轉換與峰值保持系統8中包含五只相同參數的穿心電容11、兩只相同的電阻12、兩根相同尺寸和相同特性阻抗Z1的低阻抗微帶線13、兩只完全相同的光電轉換門14、兩對相同尺寸和相同特性阻抗Z2的共面帶線15以及兩組完全相同的峰值保持電路16。五只穿心電容11均安裝于屏蔽盒壁上，引入或導出直流電平并實現盒體內外的高頻干擾的隔離。兩電阻12的一端共接于A點后通過一只穿心電容11連至電源7的+5伏端。兩電阻12的另一端分別與兩微帶線13一端接于B點和C點。B、C兩點并通過兩電容11接至計算機系統9接口。兩光電轉換門14的a端分別接在兩微帶線13的另一端，b端均接地，即接屏蔽盒體，兩c端分別經兩對共面帶線15分別連至兩組保持電路16的輸入端。兩組保持電路16的+15伏、-15伏電源線分別共接于D點和E點，D、E分別通過兩只電容11再接至電源7的+15伏和-15伏輸出端。兩組電路16的+5伏電源線共接于F點，然后連到A點。兩組電路16的輸出端和復位線均各自連至計算機系統9的接口端。計算機系統9的外同步觸發線21連在作為被測信號20的激光器系統的啟動信號上，以便能夠實現同步操作。7、8、9的地端共接。
導光鏡片組10包括一只45°半反鏡17、一只45°全反鏡18和一組光衰減片組19。被測光20的脈沖先通過17一半能量反射給19，再準直入射至8中的一只光電轉換門14中;另一半能量經17透射到18上，再全反射到8中的另一只光電轉換門14上。這前后兩只光電轉換門分別用于反映主光脈沖和預光脈沖的相對能量幅度情況。
當被測光20的激光波長為1.06微米、半峰全寬在1毫微秒以下的高功率激光脈沖被分出微焦耳量級的能量J引入至該激光脈沖信噪比測試儀時，在理想情況下，有J/2的能量被引入至右邊光電轉換門14受光而上，其輸出電壓脈沖峰值即預脈沖輸出，VNP≈αViCJ預，其中a=eμph(1-r)Z22L2Jph]]>
ViC為C點靜態直流電壓，J預為能量為J的激光脈沖中預激光脈沖能量，e為電子電量，μph為光電轉換門中介質硅的有效電子、空穴遷移率，r為介質面反射系數，L為受光面上電極隙距，Jph為1.06微米波長的激光光子能量。VNP被峰值保持電路16保持住的峰值，并放大后將輸出VNPH＝αβViCJ預，其中β的峰值保持系數。同樣類似地，有J/2·T的脈沖能量被引入至左邊光電轉換門14受光面上，T為光衰減片組19的總透過率。光電轉換門14輸出經峰值保持并放大后有VSPH＝αβViB·J主·T，ViB為B點靜態直流電壓，J主為能量J的激光脈沖中主激光脈沖能量。這里忽略了J預/2·T對J主/2·T的貢獻。計算機系統9在受同步脈沖觸發后，迅速對ViB、ViC、VSPH即OL電壓和VNPH即OR采集存貯，并在數秒鐘內發出復位信號RL和RR使兩峰值保持電路復位。計算機系統9一方面給出主預脈沖信噪比SNR＝ (J主)/(J預) ＝ (Vic·Vsph)/(ViB·T·VNPH)而且，由于峰值保持系統8允許并確定了1/100 ≤ (Vsph)/(VNPH) ≤100，則SNR至少有四個量級的動態范圍。另一方面，計算機系統9可以非常方便地根據實時電壓ViB、ViC、VSPH、VNPH、T和β值以及表達式V0＝ (Z2·Vi)/(Z1+Z2+Ron)
Ron= (L2Jph)/(Eieμph(1-r))分析光電轉換門14的工作情況及測量誤差范圍。
圖2中所示本發明的關鍵部分即為光電轉換與峰值保持系統8。整個系統8置于金屬屏蔽盒中，只用三只穿心電容11從電源7引進直流電壓+15伏、+5伏、-15伏，用兩只穿心電容11導出兩門14的偏置電壓ViB和ViC，峰值保持電路16的兩輸出線和兩復位線直接連于計算機系統9接口。在兩只光電轉換門14受光面的正上方屏蔽盒蓋上開有兩只能夠透射被測光20的窗口，窗口直徑一般在5毫米左右，稍大于門14受光面直徑。光電轉換門14的結構如圖3所示。這是一種新型的交叉對插型薄片結構，呈長方形，長為D，寬為W，D、W一般在數毫米量級，片厚度在1毫米以內。對于1.06微米的波長，其光電材料采用低摻雜硅，如摻金硅，光生載流子壽命在數十毫微秒至數百毫微秒量級。圖3中陰影部分為光刻沉積的金屬電極(如金膜)，電極底層滲入深度低阻層，以大大提高動態歐姆接觸程度。整個受光面區域通常呈圓形，直徑一般取在2毫米左右。等寬隙距L在微米量級。門14的寬度W與低阻抗微帶線13寬度最好相同。門14的a端被采用金絲或合金絲均勻焊接于微帶線13端，b端焊于地板，c端焊于共面帶線15的入口端上。當微帶線13上充有Vi的直流偏置電壓時，一旦門14受到短脈沖激光作用，如波長為1.06微米，共面帶線15上能夠獲得電壓脈沖峰值V0表達式為
VO=Ron·Z2Ron2+(Z1+2Z2)ROn+Z1·Z2·Vi]]>當Ron= (L2Jph)/(Jieμph(1-r)) >>Z1，且Ron>>Z2時，有Vo≈ (Z2)/(Ron) Vi即Vo≈Z2eμph(1-r)L2·JphVi·Ji=2aVi·Ji]]>顯然在Z1、Z2都較小，門14在微弱能量的光脈沖作用下，總存在門14的輸出與輻射激光脈沖能量間的準線性關系。但是，一旦當門14受到較強光脈沖作用時，Ron迅速趨于零，門14的輸出V0立即被短接于地。雖然在完全短路發生前極短時間(小小于1毫微秒)內產生一個幅度為Vi1+(1+Z1Z2)2]]>時間寬度在微微秒級(遠小于光脈沖寬度)的毛刺脈沖，但因其脈沖寬度極窄，幅度不高，將不會在后繼峰值保持電路16的前級生效，而被大大衰減掉。因此說，光電轉換門14的被動短地功能是本發明的最關鍵所在。
如圖4為峰值保持電路16的電路圖。它是一個超快、低漂移、正電壓脈沖峰值檢測電路，能對寬度在數毫微秒以上的正極性脈沖實現峰值保持與放大。該電路是根據高速峰值保持電路原理特殊設計的。它由四級組成，而且一目了然。第一級為快速二極管電容檢峰電路22;第二級為脈沖伸展電路23;第三級為低漂移取樣保持電路24;第四級為線性放大電路25。整個檢測電路的線性工作范圍為40倍，可將峰值在2.5毫伏至250毫伏、寬度在數毫微秒以上的正脈沖峰值檢出，并線性放大40倍至100毫伏至10.00伏范圍直流電平。計算機系統9有受到同步脈沖觸發，啟動檢測各輸入信號后數秒鐘，送出復位觸發信號，使峰值保持電路16復位后恢復常態。整個電路16結構簡單合理，具體參數設計詳見圖4所示。
上述我們采用摻雜硅材料(摻金硅)作為波長1.06微米激光脈沖的光電轉換門14介質。對于波長為1.06微米，其介質還可以用N型砷化鎵(GaAs)材料。對于0.53微米波長的激光脈沖，其介質可以采用硒硫化鎘(CdS0.5Se0.5)或磷化鈣(CaP)材料。對0.265微米波長，其介質可以采用金剛石。而且對于上述不同波長，上述各材料也可以互相替代，只是靈敏度有所不同，但不影響對激光脈沖信噪比的測量。
本發明與已有技術相比，具有下列優點1.能夠準確地測出高功率激光脈沖與其噪聲預脈沖的相對能量比值即信噪比值，可達108量級。這是已有技術通過觀察光脈沖波形無法讀出的。
2.通過單次實時測量，自動記錄并分析信噪比情況及測量誤差范圍，擺脫了用取樣測量法時對激光脈沖重復率要求的限制。
最佳實施例如圖2，低壓直流電源7采用普通商用有三路電壓輸出的低壓直流源。五只穿心電容11均采用標準3300微微法容量低壓電容。兩只電阻12選用參數0.5瓦、10千歐姆。低阻抗微帶線13和低阻抗共面帶線15均制作在0.5毫米厚的高頻聚四氟乙烯增強板上，板的相對介電常數εr＝2.65，板長40厘米，寬20厘米。13、15的特性阻抗均設計為30歐姆，線長分別為18厘米和3厘米。光電轉換門14和峰值保持電路16都直接裝配于底板上。門14襯底厚0.5毫米，長D取5毫米，寬W取3毫米，光電介質采用摻金硅(Si∶Au)，電阻率ρ＝106～107歐姆·厘米(室溫)，受光面直徑為3毫米，隙距L為10微米。峰值保持電路16的選用元件參數取值均按圖4所示。計算機系統9中采用普通12位模數板，主機采用MCS-51或96單片機，或用16位PC機即可。導光鏡片組10中采用對于1.06微米波長的45°半反鏡、45°全反鏡和多層衰減片組，衰減片組總透過率最小可達10-9。
權利要求
1.一種激光脈沖信噪比測試儀，其特征在于被測光(20)的光脈沖通過一組導光鏡片組(10)后進入含有兩只完全相同的光電轉換門(14)和兩組完全相同的峰值保持電路(16)的光電轉換與峰值保持系統(8)，兩組峰值保持電路(16)的輸出端和復位線均各自連至計算機系統(9)的接口端，計算機系統(9)的外同步觸發線(21)連在被測光(20)的啟動信號上，由低壓直流多路電源(7)提供光電轉換與峰值保持系統(8)所用電源+5伏、+15伏和-15伏。
2.依據權利要求1所述的一種激光脈沖信噪比測試儀，其特征在于整個光電轉換與峰值保持系統(8)置于一能夠隔離高頻干擾的帶有兩個能夠透射被測光窗口的金屬屏蔽盒內，含有兩只電阻(12)的一端共接于A點，由A點通過五只穿心電容(11)中的一只與低壓直流多路電源(7)輸出+5伏端相接，兩電阻(12)的另一端分別與連接在兩光電轉換門(14)上的兩低阻抗微帶線(13)的B點和C點上，由B點和C點再通過五只穿心電容(11)中兩只電容接至計算機系統(9)的接口;兩只光電轉換門(14)通過兩對共面帶線(15)分別連至兩組峰值保持電路(16)的輸入端，兩組峰值保持電路(16)的+15伏和-15伏的電源線分別通過一只穿心電容(11)連至低壓直流多路電源(7)的輸出+15伏和-15伏端，兩組峰值保持電路(16)的輸出端和復位線分別連至計算機系統(9)的接口端，兩只光電轉換門(14)的受光面分別對準金屬屏蔽盒上的兩只窗口。
3.依據權利要求1或2所述的一種激光脈沖信噪比測試儀，其特征在于光電轉換門(14)是交叉對插型薄片結構，受光面區域上所有隙距L相等。
4.依據權利要求1所述的一種激光脈沖信噪比測試儀，其特征在于導光鏡片組包括半反鏡(17)，經過半反鏡(17)的被反射的被測光(20)通過一組光衰減片組(19)射到一光電轉換門(14)的受光面上，經過半反鏡(17)透射的被測光(20)通過一全反鏡(18)射到另一光電轉換門(14)的受光面上。
5.依據權利要求1所述的一種激光脈沖信噪比測試儀，其特征在于峰值保持電路(16)由四級組成第一級是快速二極管電容檢峰電路(22)，第二級是脈沖伸展電路(23)，第三級是低漂移取樣保持電路(24)，第四級是線性放大電路(25)。
全文摘要
本發明是一種激光脈沖信噪比測試儀。主要適用紅外至紫外波段，亞毫微秒或皮秒寬度的激光脈沖的信噪比測量。它含有一組導光鏡片組，光電轉換與峰值保持系統、計算機系統和可以供給+5伏、+15伏和-15伏的低壓直流多路電源。儀器中的關鍵部分光電轉換與峰值保持系統置于一屏蔽盒內，含有兩只完全相等的光電轉換門和兩組完全相同的峰值保持電路。本發明可以通過單次實時測量，自動記錄和分析，能夠準確地測得信噪比值達10
文檔編號G01J1/00GK1111348SQ9411229
公開日1995年11月8日 申請日期1994年8月30日 優先權日1994年8月30日
發明者顧冠清, 林尊琪, 陳紹和 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所
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