超短脉冲激光研究（精选8篇）
超短脉冲激光研究 篇1
摘要：利用低空激光大气传输模型,对1.06μm激光在大气中传输时散射辐照度的分布进行了数值计算,通过与相同条件下的激光器回波信号能量进行比较,发现计算结果在理论分析上存在较大差异,其原因是未考虑激光器的单脉冲特性。通过对在单脉冲工作方式下的激光散射能量公式进行改进,提高了散射探测的计算精度。
关键词：激光散射探测,散射辐照度,脉冲特性
激光发散角小,脉宽较窄,决定了其光斑直径通常很小,在激光探测的典型情况下,激光束一般不会直接入射到激光探测设备上,需通过接收大气对激光的散射来探测激光[1]。为了能够提高激光散射探测距离,需计算到达探测器的散射激光照度。通过传统计算散射激光能量的方法所得的结果与理论计算激光指示器回波能量进行比较,发现传统方法未考虑到激光的单脉冲特性,因此,对传统的计算方法进行了改进,提高了散射探测精度。
1 传统激光大气气溶胶散射计算
激光在大气传输的过程中,会受到气溶胶粒子的散射,为激光散射探测提供了必要的条件。光散射主要是瑞利散射和米氏散射。瑞利散射在紫外光谱和高空中起主要作用;而米氏散射则在较低的高度上起主要作用,是优先的散射源,可产生相对较大的可用信号,为激光散射探测提供必要的能量[5,6]。因此主要考虑气溶胶粒子的Mie散射,根据Mie散射理论,设气溶胶的粒径分布范围为r1～r2[7]。
1.1 低空激光大气传输模型
为了方便研究,一般假设气溶胶粒子的大小分布不随高度变化,但与地理环境和气象条件有关。假设在空气能见度为23 km,湿度为75%的都市郊区低空,在陆地上空,气溶胶粒子大小的典型分布为[7]
1.2 低空激光散射的能量分布计算
图1表示激光器和激光探测器的位置关系,其中激光器斜向下照射,激光探测器的视场朝上。其中R为激光器与探测器之间激光传输的轴向距离(以下简称激光传输距离),d为探测器的离轴距离,θ为探测器的视场角。
假设激光器的波长为λ,出射功率为Pt,根据文献[8],在离轴距离为d时到达探测器的辐射照度可以表示为
Pn(1)(cosθ)为一阶n次第一类缔合勒让德函数;
Pn(cosθ)为第一类勒让德函数。
an、bn为Mie散射系数,其计算式为
式中,z可以是χ或mχ;分别为半奇阶的第一贝塞尔函数和第二汉克尔函数;ψ'n、ζ'n为对各自变量的微商;m=m1-m2i为散射粒子的复折射率,对于1.06μm激光,在工程上,大气衰减与能见度的关系[9,10]可表示成a=2.7/V,V是km为单位的能见度。其复折射率为m=1.56-0.089i。典型激光器的输出能量为10 mJ,脉冲宽度为10 ns。探测器的视场角θ=30∘,设β1=40∘,β2=100∘。
对于1.06μm激光,粒子半径为0.1～20μm的大气气溶胶前向散射较强,在此只需考虑前向散射,因此实际取β2=90∘。在不考虑大气湍流影响下,用式(2)计算在传输距离为10 km时,不同离轴距离的探测器所接收到的大气散射激光的最大辐射照度,见表1。
图2为根据表1做的不同离轴距离的辐射照度的曲线。
同样根据式(2),文中计算了激光传输不同距离时在离轴100 m处的激光散射辐射照度,计算结果分别如表2和图3所示:
1.3 数值计算结果分析
由于上述值比较小,实际中很难进行精确的测量,为了讨论上面计算得到的结果,文中对激光器的回波辐射照度进行了计算,可表示为
其中,Pt为发射功率,ρ为目标反射系数,对于漫反射发散角Ω可取为2π,R为作用距离,Ta为单程大气透过率,Ta=exp(-aR)。那么对于1 mW的激光器,当作用距离为10 km时,其接收到的功率为
而在1.2节中计算得到的激光传输10 km时在离轴100 m处的散射辐射照度为6.635×10-3W/m2,表明在距离为10 km情况下,其探测距离将远大于100 m,不能满足精度要求。原因在于传统计算激光散射能量的计算方法,是基于连续工作方式,而对于脉冲工作方式的激光器而言,需要进行必要的改进。
2 脉冲工作方式辐射能量计算的修正
考虑激光的单脉冲特性,那么在式(2)中就不能对探测器整个视场内的激光束进行积分运算。假设
探测器视场内只有一个激光脉冲,如图4所示。
2.1 公式推导
因为考虑到激光脉冲的长度较短,如在1.1节的例子中,脉冲长度为3 m(不考虑相对论影响),那么在计算的时候可以近似认为激光为一个点源来计算,设其长度为dy,在不考虑衍射等能量损失的理想情况下,位于y处激光的辐照度(光强)为
其中,φ为激光发散角,D为出射激光直径。
先考虑单个大气分子的散射,其激光器的轴向距离为R、离轴切向距离为d的探测器,所散射的辐照度(光强)为
激光在y处占的气溶胶体积为那么该部分气溶胶产生的散射可表示为
整理后就可以得到要求的辐射照度公式为
2.2 数值计算与分析
在与1.2节中计算条件一致的情况下,根据式(12)计算得到的离轴100 m,不同β角度的辐射照度如表3所示。
由表3可以看出,激光在离轴100 m左右散射的辐射照度和激光器的回波照度大小是相当的,可以实现100 m左右的散射探测。
另外,从结果还可以看到,散射的辐射照度随散射角度β的增大先增大后减小,通过更小角度间隔,计算得到了散射辐射最大的角度约为β0=33.69∘。
图5为辐射照度随散射角度β的变化曲线。
在β=33.69∘的条件下,图6和图7分别给出了当激光传输距离为10 km时,不同离轴距离的辐射照度曲线和当离轴距离为100 m时,不同激光传输距离的辐射照度曲线。
3 结束语
利用低空激光大气传输模型,分析计算了现有文献关于激光在大气中传输时同距离条件下的激光散射能量,定量计算了不同离轴距离和不同激光传输距离时激光的辐射照度。通过与激光器的回波信号比较分析得出,传统的计算方法未考虑激光器脉冲工作方式的影响。文中对脉冲工作方式下激光散射的公式重新进行了改进,提高了激光散射探测精度,并计算了不同散射角度、不同离轴距离和不同激光传输距离情况下的激光辐射照度。
参考文献
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超短脉冲激光研究 篇2
脉冲激光照射下目标散射特性研究
简要介绍了脉冲激光照射下目标散射特性的研究,首先建立目标和光源的相对方位,再把目标划分为许多个强散射中心面元对目标的几何模型进行解析,然后用三参数模型法对目标表面涂料的反射能力进行了描述,通过几何光学法得到脉冲激光照射下目标散射特性的`理论模型.基于建立的理论模型对目标进行了统计分析,主要分析了目标的数学期望、方差、峰度、偏度统计量,利用自适应积分算法得出了目标散射光照度.最后,对脉冲激光照射下目标散射特性进行了仿真和分析,认为在脉冲激光照射下不可能从光照度直接进行目标识别,需要在频域进行分析处理和特征提取.
作 者：张志虎 李铁 杨小军 ZHANG Zhi-hu LI Tie YANG Xiao-jun 作者单位：西安机电信息研究所,陕西,西安,710065 刊 名：探测与控制学报 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF DETECTION & CONTROL 年，卷(期)： 29(5) 分类号：O432.2 关键词：光照度 激光散射 目标识别脉冲——相位式激光测距系统研究 篇3
research
Liu Ji Yong Zhao Lei
School of Electronics&Information Engineering Xi’an Technological University
近年来, 随着半导体激光器的出现和集成电路、信号数字化处理等领域的快速发展, 激光测距仪的设计更侧重于小型化、数字化。脉冲-相位式激光测距技术在发射端发射一束半连续正弦波, 在接收端对接收的信号同时进行相位和飞行时间的测量。设计可以分为三个模块:激光发射模块、激光接收模块、相位测量模块。激光发射模块使用可控的DDS芯片发射正弦频率4MHz重复频率10KHz半连续正弦信号, 半导体激光二极管作为激光发射器;激光接收模块使用PIN做为激光机接收器, 并完成信号放大滤波;相位测量模块使用高速A/D芯片完成4MHz的信号采样, 最后通过改进的正交测相法在FPGA中完成高精度相位差测量。课题对激光发射模块和接收模块进行理论设计和仿真, 完成了相位测量模块的硬件设计。设计划分为分为三个部分:激光发射模块、激光接收模块、信号处理模块。激光发射模块实现由电信号向光信号的转变, 并完成正弦调制;激光接收模块使用光电传感器接收反射过来的光信号并转换为电信号, 并设计合理的放大电路和滤波器;处理模块完成两路信号的相位测量和距离的显示。
一、脉冲-相位式激光测距系统原理
综合脉冲法和相位法信号调制的方式, 通过发射和接收一种半连续的波形, 在接收端同时进行飞行时间和相位差的测量, 这种测距方法可以实现量程和精度的统一。脉冲-相位法测距示意图如图所示:
图中1-参考信号, 2-发送信号, 3-接收信号, δ-发送信号和接收信号的相位差, RBF-脉冲序列的重复频率。
参考信号1是一个频率为f的高频正弦信号, 经过脉冲信号f1调制后生成半连续的正弦波对激光半导体进行调制, 这样在发射信号中就同时包含了飞行时间的信息和信号相位的信息。因此在距离测量中要测量两个量, 一个是飞行时间的测量, 我们称之为粗侧;另外一个是相位差的测量我们称之为精测。
设计中f取值为4MHz, f1取值为10KHz, f和f1的取值直接影响到了测距的精度和距离。设计中使用FPGA来设计脉冲计数器, FPGA内部嵌入PLL倍频器, 可以把计数器的频率做的很高, 设定计数器频率为100MHz, 则由式2.2得到粗测部分精度△σ=1.5m。这就要求由相位差确定的最大距离要大于△σ, 根据式2.6, 相位测量的最大距离为c/2f, 计算得37.5m, 满足要求。测距的最终精度由精测部分所决定, 由式2.6得精测部分的精度由测量的相位差所决定, 为此设计中提出了一种改进的时域数字鉴相器, 在不加入接收噪声情况下, 测距精度达到0.0004rad, 在接收信号噪比为15d B的情况下, 误差不大于0.0032rad。
按照模块的设计思想将设计划分为分为三个部分:激光发射模块、激光接收模块、信号处理模块。激光发射模块实现由电信号向光信号的转变, 并完成正弦调制;激光接收模块使用光电传感器接收反射过来的光信号并转换为电信号, 并设计合理的放大电路和滤波器;处理模块完成两路信号的相位测量和距离的显示。激光发射模块由正弦信号发生器、半导体激光器及驱动电路组成。这里使用高精度DDS芯片产生正弦信号, 半导体激光器经调制信号调制后生成半连续正弦激光信号。
激光接收模块由PIN及其信号放大滤波电路组成。激光接收模设计的好坏是决定测量精度的一个重要因素, 在进行信号放大和过滤噪声的同时尽量减小正弦信号相位的偏移。
信号处理模块是设计部分的核心模块也是本课题中完成硬件设计的模块。使用FPGA作为控制芯片, 周围配置DDS正弦信号发生器芯片、两块高频A/D转换芯片、比较器、及LCD12864显示模块, 实现信号的数字测相及距离的显示[14]。
二、硬件主要芯片功能
EP2C8Q208C8:这款FPGA芯片拥有8256的LE, 208个管脚, 36M4K RAM blocks, 内嵌36个9bit乘法器, 2个PLL, 182个I/O引脚。EP2C8Q208C8是一款性价比很高的FPGA芯片, 8526的LE满足了鉴相器和信号控制所用的逻辑资源, 内嵌的36个乘法器简化了相位测量中乘法器的设计, 182个I/O管脚满足了A/D采样芯片、DDS芯片和显示模块对大量I/O口的要求。
AD9850:AD9850是AD公司生产的可编程DDS芯片, 其最高工作时钟为125 MHz。AD9850有40位控制字, 32位的频率控制字和5位的相位控制字可以灵活的完成输出信号频率和相位的控制。在设计中使用AD9850产生4MHZ的正弦激励信号。
RLD65MPT3:RLD65MPT3是一款半导体激光发射器, 其阈值电流为20m A, 中心波长为655nm, 最大输出功率为7m W, 水平与垂直发射角分别为8°与27°, 波长与输出功率保证的使用时的安全性以及调试的方便, 同时较小的发射角保证了较高的光照效率。
PD204-6C:PD204-6C是一款PIN型光电转换器, 它具有较宽的波长响应范围 (400~1100nm) , 极小的反向暗电流 (一般为10n A) , 在加入5V反向电压后, 其反向结电容仅为5p F。
AD9225:AD9225是ADI公司生产的单电源, 12位高速A/D转换器, 其最大采样频率为25MHz, 片内数据处理4级流水线结构。为了满足后期数字鉴相器的需要, 信号的抽样速率要等于发射信号频率的5倍, 在设计中信号发生器输出信号的频率为4Mhz, 需要一个高速的转换器来完成20MHZ的抽样。
通过对分析激光测距系统不同方法的优缺点, 设计中提出一种脉冲-相位式激光测距系统, 该测距方式综合了脉冲法测距和相位法测距的优点, 解决了精度和距离的矛盾。
三、系统发射模块的整体设计
激光调调制的重点是将高精度的正弦信号加在稳定的偏置电流上, 因此将激光的发射模块分为三个部分:正弦信号发生电路、直流偏置电路和加法器电路。整体硬件设计电路图如图所示:
LM7905和LM317是两片电源稳压芯片分别提供稳定±5V电压, 这里介绍一下LM317的使用。在进行信号调制的过程中, 需要稳定的直流偏置电流, 尤其是温度对电流的影响要低。LM317是一款可调电源芯片, 具有良好的温度稳定系数, 在正常工作环境下其温度稳定系数可以达到1%, 温度的变换引起的电流的抖动约为0.5m A, 满足LD对直流偏置信号稳定性的要求。
其输出电压式:V0=VREF (1+R2/R1) +IADJR2
VREF为一端口和三端口之间电压, 稳定在1.25V左右。IADJ一般小于100u A, 可以忽略不计。根据式3.3, 经过计算当取R1=1K, R2=3K时, 输出电压稳定在+5V左右, 在实际应用中R1和R2值的选择不必非常精确, 只需要保证输出电压的高稳定性即可。为了提供50m A的偏置电流, 选取输出端串联的电阻R7为100Ω。
2.加法器模块
设计中使用高速运放L M7171完成了调制信号和直流信号的叠加功能, 电路图如图3.9所示。LM7171工作带宽可以达到200MHz, 其谐波失真也较小, 在±5V电压下, 输入信号频率为5MHz时二次谐波失真仅为-70d B, 低谐波失真运放有利于获得纯净的正弦信号, 能够大大增加接收信号的信噪比。
三、FPGA系统硬件设计
FPGA系统主要包括AS模块、JTAG模块、电源模块、FPGA芯片、SDRAM、晶振模块。JTAG口为FPGA提供在线调试, AS将程序固化到EPCS中, 上电后加载到FPGA上, 电源模块提供稳定的3.3V和1.2V的电压, SDRAM为外置的数据模块。
AS口电路图如下图所示:AS为10口接口, 可以将FPGA程序固化在EPCS16中, EPCS16为8管脚16M串行程序存储器。由于FPGA内部逻辑的编程上电丢失, 需要将程序固化在EPCS16中。JTAG口外形上同AS口相同, 区别是JTAG口不支持程序的下载, 其功能为FPGA的在线调试。JTAG模块和AS模块的硬件电路图如图所示:
四、结语
(1) 通过分析现有激光测距仪的优缺点提出了一种脉冲-相位式激光测距系统, 并对其整体设计进行了详细的介绍。
(2) 设计了激光发射、接收、和控制部分硬件电路。通过设计前仿真和设计后调试来对电路进行改进。
(3) 完成了测相系统软硬件的设计, 通过matlab和modelsim软件的对不同噪声下测相误差进行分析。
(4) 对实验过程中的误差进行分析, 并通过查阅资料提出了一些设计改进方案。
参考文献
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短脉冲激光信号接收灵敏度的研究 篇4
1 原 理
设探测系统接收的信号为
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式中,s(t)为目标反射信号;ns(t)和n0(t)分别为有目标和无目标的随机噪声.设rs(t)的概率密度是fs(r),n0(t)的概率密度是φ0(t).根据信号检测理论,雷达探测概率Pd定义为,接收到目标反射信号时,正确判断到目标的概率.
Pd=∫∞Itfs(r)dr (2)
式中,It为判决阈值电流.虚警概率Pfa定义为没有接收到目标回波时,将噪声判断为目标的概率
Pfa=∫∞Itφ0(r)dr (3)
脉冲激光信号接收系统大多采用APD和跨阻抗前置放大器[6,7],其电路形式如图1所示.根据放大器的En-In噪声模型,可得到跨阻抗前置放大器的等效噪声模型,如图2所示.
图2中,is为信号电流;id为散弹噪声电流;it为源电阻热噪声电流;Rs为源电阻;Ena为运放的等效输入噪声电压;Ιna为运放的等效输入噪声电流;Vnf为反馈电阻Rf的等效输入噪声电流.
为了研究方便,先不考虑背景噪声的影响,当接收到目标回波时,接收机总的输入电流为[8]
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式(4)中
undefined
式中,Pr是APD接收的回波信号光功率;M是APD的倍增因子;Rp是APD的灵敏度;e是电子电荷;idd是暗电流;undefined是噪声等效带宽;tr是目标回波脉冲信号上升时间;K是波尔兹曼常数;T为环境温度(K);NF为运放的噪声系数;Rs是等效源输入阻抗;Cs是APD的寄生电容;Ci是运放的输入等效电容;n是与二极管材料有关的系数,对于APD,2.3
undefined
根据信号检测理论[9],当探测到目标回波时,接收机输入电流概率密度为
undefined
式中,σundefined为接收到脉冲信号时噪声和的噪声方差,且
σundefined=iundefined+iundefined (8)
当无目标回波时,接收机输入电流概率密度为
undefined
式中,σundefined为未接收到脉冲信号时噪声和的噪声方差,且
σundefined=iundefined+2eiddMnBN (10)
总的错判率包括两部分:(1)有目标回波时,把回波脉冲信号判为噪声;(2)无目标回波时,把噪声判为有回波脉冲信号.总的错判率为
TER=P(s)(1-Pa)+P(0)Pfa (11)
式中,P(s)为有目标回波信号的概率;P(0)为无目标回波信号的概率.
2 光接收机最小可探测光功率的计算
根据式(2)和式(7),得到光接收机的探测概率为
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式中,erfc代表补余误差函数,定义为
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根据式(3)和式(9),得到光接收机的虚警概率为
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令undefined,因为Pd是所要求的最小值,Pf是所要求的最大值,所以有
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由式(5)、式(8)、式(10)和式(15),整理得
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设探测系统要求探测概率至少达到99.99%,虚警概率不能超过0.1%,则最小可探测光功率为
undefined
3 计算实例及分析
设接收的脉冲信号波长是1.06 μm,1 ns脉宽,重复频率1 MHz,探测概率至少为99.99%,虚警概率不能超过0.1%,T=343 K,Rp=0.64 A/W,n=2.4,Cs=2 pF,Ci=1 pF,undefinedns,NF=2,暗电流idd=1 nA,M=100[6,10].根据前面推导,得到最小接收光功率Prmin=1.40×10-7W.在Prmin=1.40×10-7 W时,由式(6)得到SNR=29.4.由式(15)有3.85×10-6≤It≤5.08×10-6,在此取值范围内,均能满足探测要求,即探测概率至少为99.99%,虚警概率不能超过0.1%.根据式(11),得到总的错误探测率TER与判决阈值It的关系曲线如图3所示.由图3可得到,在3.85×10-6≤It≤5.08×10-6条件下,It=5.08×10-6时,错误探测率达到最小值,因此判决阈值取为5.08×10-6.根据式(12)、式(14)得到,在It=5.08×10-6时,探测概率Pd=99.99%,虚警概率Pfa=0.000 4%满足系统要求.
APD的响应时间很短,约为0.5～1.0 ns,频率响应可达几千兆赫兹[11].在APD倍增增益100,探测概率至少为99.99%,虚警概率不能超过0.1%条件下,根据式(17),得到脉宽为0.5～10 ns激光脉冲下的最小接收光能量与脉冲宽度的关系曲线,如图4所示.由图4得到脉冲宽度越窄,光接收机所能接收的最小光能量越小,即在相同脉冲能量条件下,脉冲宽度越小,光接收机能够探测的距离就越远.
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超短脉冲激光研究 篇5
1 脉冲激光测距的原理
1.1 激光测距望远镜的分类
根据测距方法的不同, 激光测距望远镜可分为脉冲法激光测距望远镜和连续波激光测距望远镜两类[6]。
(1) 脉冲法测距是激光技术在测绘领域中的最早应用。激光的发散角小, 激光脉冲持续时间极短, 瞬时功率极大, 因而可以达到极远的测程。脉冲激光测距望远镜多数情况下不使用合作目标, 它是利用被测目标对激光脉冲的漫反射获得发射信号来实现测距。脉冲半导体激光测距具有结构简单、体积小、功耗低、可靠性高、价格低等特点, 但其测量精度很难达到优于1m的精度 (受采样频率的限制) 。
(2) 连续波测距采用相位法测距, 一般有多波长方法和频率调制法两种, 但因其平均发射功率较低, 测距能力比相应的脉冲激光测距机差很多 (对非合作目标, 最大测程1-3Km) , 而且结构复杂, 但精度高 (2mm) , 往往应用于合作目标测距, 如导弹初始段测距及跟踪、大地测量等。
1.2 基本原理
在激光测距中, 使用测量目标反射回来的信号作为终止信号, 利用高速数据采集的方法记录激光脉冲的回波波形, 通过对所记录的波形进行分析得出时间间隔。实际测量中, 由下式计算实际的测量距离R:
其中, c为光在大气中的传播速度, 一般用光速带入计算;Se为电路延迟时间折算的距离, t为激光往返时间;对于脉冲型激光测距望远镜, 其工作波形如图1所示:
激光测距望远镜一般由激光发射机、激光接收机和电源三大部分组成, 如图2所示。下面以脉冲激光测距望远镜为例进行说明。激光发射机由脉冲激光器、光学发射及其瞄准系统组成, 作用是将高峰值功率的激光脉冲射向目标。激光接收机由光学接收系统、光电探测器和放大器、接收电路和计数显示器组成, 作用是接收从目标漫反射回来的激光脉冲回波信号并计算和显示目标距离。激光电源由高低压电源组成, 高压电源用于驱动激光器, 低压电源用在信号处理电路[7]。
2 激光回波信号处理
2.1 采样
由于数字信号处理相对于模拟信号处理有明显的优势, 本文对激光信号的处理采用数字处理方式:将连续的模拟信号变成数字信号。要使抽样处理后的信号能够恢复原来的模拟信号, 抽样必须满足奈奎斯特采样定理, 具体描述如下:
设有一个频率带限为fH的信号f (t) , 如果以不小于fS=2fH的采样速率对f (t) 进行等间隔采样, 得到离散采样信号f (n) =f (n TS) (TS=1/fS为采样间隔) , 则原始信号f (t) 将被得到的采样值f (n) 完全确定[8]。
从奈奎斯特定理可知, 如果以不低于信号最高频率两倍的采样速率对带限信号进行采样, 所得到的离散采样信号值就能准确地还原原始信号。
2.2 滤波
激光信号在发射和接收过程中, 电路噪声会导致激光回波信号的质量下降。通常通过构造合适的滤波器来滤除噪声, 如采用高通滤波器和低通滤波器以达到滤除噪声的目的。
高通滤波器采用窗口均值滤低频的办法, 窗口中心位置的值用原有数值减去窗口平均值来代替。具体运算时先求出某区域内的均值, 然后用原序列对应的数值减去此均值, 得到一个新的数值Yj'来替代原数值Yj。用公式表达如下:
低通滤波器采用窗口均值滤高频的办法, 原窗口中心位置的值Yj用窗口平均值来代替。用公式表示如下:
2.3 相关检测
相关检测技术是信号检测领域里的一个重要工具, 它能在低信噪比的情况下提取出有用的信号, 具有较强的抗噪能力 (噪声的相关系数几乎为零) , 广泛应用于图像处理、卫星遥控、雷达以及超声探测、医学和通信工程等领域。
一维离散相关定义如下:
其中M满足:M>A+B-1, A和B分别是f (x) 和g (x) 的周期。为了避免产生交叠误差, 在离散的情况下, 要使相关及两个离散信号都具有同样的周期。
在具体应用中, 运用两个信号的相关系数来判断信号的相似程度。设x (n) 和y (n) 是两个周期为N的能量有限的确定性信号, 并假设它们是因果的, 则这两个信号的相关系数为:
为了讨论方便, 定义归一化的相关系数为:
由许瓦兹 (Schwartz) 不等式, 有:
当x (n) =y (n) 时, ρxy=1, 两个信号完全相关 (相等) , 这时rxy取得最大值;当x (n) 和y (n) 完全无关时, ρxy=0, rxy (=0;当x (n) 和y (n) 有某种程度得相似时, 在0和1之间取值, 由此可见ρxy和rxy可用来描述x (n) 和y (n) 之间的相似程度。
3 实验结果
把上述信号处理技术应用到激光测距望远镜中, 首先对采集到的数据 (本文的数据由FPGA高速采集系统对激光回波信号采样而来) 进行低频滤波和高频滤波处理, 然后通过相关运算找出信号所在的位置。实验结果如图3所示。
从图3 (a) 可知, 采集到的激光回波信号, 信噪比比较小, 尤其是在长距离的激光回波信号的采集中, 信号有可能被掩盖在噪声中, 不利于提取;经过高、低通滤波器后, 能有效地减弱低频成分和高频成分, 使信号变得更为明显, 如图3 (b) 所示;把滤波后的数据再进行相关运算, 信噪比会得到很大程度的提高, 如图3 (c) 所示。经过上述的信号处理手段, 能够有效的检测出有用信号的位置, 为设计整个激光测距望远镜系统奠定良好的基础。
为了验证本算法的速度, 还利用计算机进行仿真:假设FPGA采集到的数据经解码后是1200个整形数据, 将此数据经过24M的单片机中进行处理, 上述滤波以及相关运算的处理时间为0.183S, 处理速度快。
4 结语
本文详细地分析了激光测距望远镜的原理、分类及其发展方向和激光测距中常用的信号处理方法, 并通过实验证明了算法的有效性, 为设计商用化的手持式激光测距望远镜奠定基础。
摘要：与一般测距方法相比, 激光测距具有操作方便、精度高和昼夜可用等优点, 使其得到了广泛应用。本文首先介绍了脉冲激光测距的基本原理, 然后分析了激光测距中用到采样、滤波和相关检测等数字信号处理方法, 最后给出了激光回波信号的实验处理结果。实验表明, 该处理手段能快速、有效地提取出激光回波信号。
关键词：激光测距,数字信号处理,滤波,相关检测
参考文献
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加压式调Q固体脉冲激光器的研究 篇6
早在1960年激光问世后, 1961年就有人提出调Q的概念, 其设想采用一种方法能够把全部光辐射能压缩到极窄的脉冲中发射出去;1961年底, 邓锡铭几乎与国外同时, 独立的提出了高功率激光Q开关的原理。他非常形象地解释调Q过程:他把Q开关比喻为一个稍微漏水 (自发辐射跃迁) 的抽水马桶, 当水箱被灌 (光泵注入能量) 满之后, 水箱底部的盖快速地揭开 (Q值突变) , 水 (激光能量) 就一涌而出 (激光峰值功率输出) 。采用调Q技术较容易获得峰值功率高于兆瓦、脉宽为数十个纳秒的激光巨脉冲;1962年, 制成了第一台调Q激光器, 输出峰值功率为600千瓦, 脉冲宽度为10-7s量级;随后几年发展的特别快, 出现了多种调Q的方法 (如电光调Q、声光调Q、可饱和吸收调Q等等) , 输出功率呈直线上升, 脉冲压缩也取得了较大的进展;到了80年代, 调Q技术产生了脉冲为纳秒量级, 峰值功率为吉瓦量级的巨脉冲并不困难。
调Q原理:
调Q技术为通过某种方法 (例如改变损耗) 使腔内的Q值随时间按一定的程序变化的技术。在泵浦开始时, 使腔处于低Q值的状态, 也就是提高振荡阈值使其振荡不能形成, 上能级的反转粒子数就可以大量的积累, 能量储存的时间决定于激光上能级的寿命;当积累到最大值 (饱和值) 的时候, 突然使腔的损耗减少, Q值突增, 激光振荡迅速地建立起来, 在极短的时间内, 上能级的反转粒子数被消耗掉, 转化为腔内的光能量, 从腔的输出端以单一脉冲的形式释放出来, 于是就获得了峰值功率很大的巨脉冲。
调Q的过程:氙灯的能量转成工作物质的能量, 分为两个阶段:1) 低能态的粒子被激发到高能态, 产生最大Δn0;2) 产生受激辐射。
开关激光器的特点是:
1) 通过改变Q值也就是改变阈值, 来控制激光产生的时间。
2) 两阶段:
a.储能阶段 (延迟时间) , 此时反转粒子数达到最大值。
b.激光产生输出, 此时忽略泵浦和自发辐射的影响。
3) 开关时间:
从Q值最小变到最大Q值也就是损耗从最大变到了最小, 所需要的时间称为开关时间。开关时间对激光脉冲的影响很大, 按开关时间的大小可分为快、慢两种类型。调Q技术按方式可分为被动式调Q、机械调Q、声光调Q还有电光调Q。
加压式电光开关是在晶体和偏振片中间插入了一块λ/4的波片。旋转λ/4波片使激光器处于关门的状态, 当突然在晶体上施加了λ/4的电压后, 电光晶体抵消了λ/4波片的作用, 接通光路, 可产生巨脉冲激光输出。
1 实验分析
1.1 退压式调Q
实验步骤如下:
1) 利用LD激光束来调整激光器各个光学元件的高低水平位置, 至各个光学元件的对称中心基本处于同一直线上。然后调整各个光学元件的俯仰方位, 使介质膜反射镜、偏振器、电光晶体的通过面和激光的工作物质端面平行。
2) 打开电源, 在不加λ/4晶体电压的情况下, 反复地调整两块谐振腔片, 使静态激光输出最强。一般情况下我们称不加调Q元件的激光输出为静态激光;称加调Q元件的激光输出为动态激光或巨脉冲激光。
3) 关门实验, 给电光晶体加上相应的λ/4电压, 转动KD*P晶体, 充电并且打开激光, 反复调整电光晶体, 直到x轴、y轴与偏振器的起偏方向平行。同时适当地调整Vλ/4电压, 直到激光器完全不能够振荡为止。此时说明了电光Q开关已经处于光闭的状态 (低Q值状态) 。
4) 接通电光晶体的退压电路, 打开动态的激光, 微微调整氙灯开始泵浦至其退去Vλ/4电压之间的延迟时间电位器, 一边观察激光强弱, 一边微微调整延迟电位器旋钮, 直到激光输出为最强。改变脉冲泵浦的能量, 用能量计来测量动态输出能量。并利用公式计算出在一泵浦能量下的动态与静态激光输出能量之比η, η称为动静比。
5) 观测或照相记录激光波形。利用强流管或者光电二极管接收激光, 并利用100MHz以上的宽带示波器 (因动态激光脉冲宽度一般为几到几十ns) 来观察激光波形。
测得的关门电压为700V, 实验数据见表1:
1.2 加压式调Q
具体实验步骤如下:
1) 利用退压式调Q的光路, 在其Q开关的后面加上一λ/4波片, 用LD激光束来调整激光器各个光学元件的高低水平位置, 使其各个光学元件的对称中心基本处于同一直线上。然后调整各个光学元件的俯仰方位, 使介质膜反射镜、偏振器、电光晶体的通过面和激光工作物质端面平行。
2) 打开电源, 在不加λ/4晶体电压的情况下, 反复地调整两块谐振腔片, 使静态激光输出为最强。
3) 转动λ/4波片, 充电并且打激光, 反复地微调λ/4波片, 直到其x轴、y轴和偏振器的起偏方向平行。
4) 接通电光晶体的加压电路, 开始打动态激光, 微微调整氙灯开始泵浦至加上Vλ/4电压之间的延迟时间电位器, 一边观察激光强弱, 一边微调延迟电位器旋钮, 直到激光输出最强。改变脉冲泵浦的能量, 用能量计来测量动态输出的能量。
实验数据见表2。
3 小结
1) 加压式电光调Q与退压式电光调Q输出的动态激光特性在相同的条件下, 几乎是接近的, 影响电光调Q的动态激光输出特性的主要原因为电路的延时还有加在KD*P上的晶压。在退压式调Q过程中, 在外电场的作用下, 晶体内会产生“光弹效应”, 当晶体上的高压瞬时退除时, 形变不会立即的消除, 从而导致晶体的电光调制损耗不能够瞬间的消除, 而是存在一个渐变的过程。如果由于光弹效应的存在而导致损耗衰减时间大于巨脉冲的建立时间, 出现多脉冲, 则会降低Q开关激光器的输出性能。利用加压式的Q开关电路则不存在光弹效应的影响。
2) 退压式电光调Q由于给晶体上长时间的加高压电, 所以室温对晶体的影响非常的大, 而且消耗的电能相对比较多, 长时间加高压使得实验人员操作也非常不便, 有时可能会有触电的危险, 而加压式就不存在这样的问题。
参考文献
[1]天津大学编译.激光技术.北京:科学出版社, 1972.
[2]蓝信钜.激光技术[M].北京:科学出版社, 2001.
超短脉冲激光研究 篇7
关键词：激光技术,微细加工,金刚石,石墨化,蚀除
1 引言
金刚石晶体属于立方晶系, 具有面心立方晶胞结构, 每个碳原子都以sp3杂化轨道与另外四个碳原子形成共价键, 这样的特殊结构使其具备极高的硬度、导热率和优异的化学稳定性, 被广泛应用于切削刀具、磨具、导热器件、光学窗口等领域[1,2,3]。
基于极高的硬度和化学稳定性, 难以使用机械加工的方法对金刚石进行切割、抛光、成型等加工。而激光的高能量密度, 高方向性, 高单色性的特点使激光可以实现对金刚石进行加工, 尤其是微细加工。对此, 国内外学者对金刚石表面的微结构制备工艺与机理进行了较多的研究[4,5,6,7];而激光加工在金刚石工具应用领域又主要集中在激光修整金刚石砂轮方面的研究[8,9,10,11], 可以说激光微细加工金刚石拓宽了金刚石相关材料的应用领域。随着超短脉冲激光技术的不断进步, 研究者对激光加工金刚石的机理也不断深入, 脉冲激光加工金刚石材料的理论和应用技术研究得到更多的关注。本文综述了国内外对脉冲激光微细加工金刚石机理的研究, 重点总结了脉冲激光加工金刚石的石墨化机制和材料去除机制。
2 脉冲激光诱导金刚石的石墨化机理研究
2.1 脉冲激光诱导金刚石的石墨化
金刚石在空气中加热到温度T>Tg≈700℃开始向石墨转化。石墨化的过程使金刚石晶格中以sp3结合的原子获得足够的能量, 经过能量扩散, 跳跃到sp2结合的状态。在石墨化的同时, 相邻碳原子的距离在增大, 石墨化后的物质密度比金刚石小, 因此石墨化更易发生在自由的空间如金刚石的表面以及靠近缺陷的地方[12]。
激光辐照金刚石石墨化的过程是内部自由电子通过逆韧致辐射吸收能量的过程。根据激光能量, W和脉冲宽度τ分成两种不同的石墨化模型:第一种是在低能量W和长脉冲宽度τ的时候, 使用一系列的脉冲产生逐步的光吸收以及缺陷累积, 电子吸收激光能量是在均衡加热的情况下, 晶格慢慢加热到T≈Tg。这可以通过选择金刚石在纳秒或者更长的激光辐照下实现, 相对应的石墨化方向是垂直表面沿体层发展, 激光处理导致金刚石-石墨分界面的形成;第二种是在激光能量W很高, 激光脉宽τ极短时, 激光辐照能量被高度吸收, 电子雪崩可能出现, 因为电子的温度超过了晶格原子的温度, 并且电子浓度远远大于均衡加热情况下的电子浓度, 初始碳原子受到直接影响开始电离, 激光的能量被等离子体吸收转化, 晶格的温度升高到T≥Tg, 这可以通过选择飞秒激光辐照或辐射高吸收的材料如低品级CVD金刚石, 纳米晶金刚石 (NCD) 以及类金刚石薄膜 (DLC) 实现, 相对应的石墨化是平行于表面按分层方式发展的[13,14]。在这两种模型中, 辐射后的金刚石表面都会覆盖一层石墨层, 不论哪种石墨化方式发生, 石墨化后都将导致晶格的不稳定, 并且随着SP2键的增加以及缺陷的出现, 对激光的吸收都会大大增加[15]。
拉曼光谱分析是验证激光加工金刚石表面石墨化的重要手段。如图1中可以看到未加工金刚石表面的拉曼光谱仅在1332.9cm-1存在金刚石特征峰, 而经过激光辐照后拉曼光谱图出现的1350cm-1和1580cm-1 (相对应的D峰和G峰) 处存在两个石墨峰[16,17,18,19]。另外, 金刚石的电阻率远远大于石墨的电阻率, 因此测量石墨层的电阻率也是检测石墨化的另一种方法。在Lade[20]使用波长为193nm的准分子激光器辐照CVD金刚石的实验中, 在高能量和足够的脉冲个数情况下, 材料的电阻率从δ≈1014Ωcm下降到δ≈10-3Ωcm。同样Rothschild[21]使用波长为193nm的准分子激光器辐照Ⅱa型单晶金刚石, 被激光辐照后的样品上测量电阻率结果为δ≈10-3Ωcm~10-4Ωcm。
(1) 激光辐照前原始金刚石表面 (2) 激光辐照后金刚石表面
2.2 脉冲激光诱导金刚石石墨化厚度
Kononenko[22]给出CVD金刚石材料在激光辐照后产生石墨层厚度lg的公式是:
其中lb是观察得出高出原始表面的凸面高度, ρg=1.9g/cm2是石墨的密度;ρd=3.5g/cm2是金刚石的密度。
激光参数对石墨层的厚度影响最大的是脉宽τ, 与激光波长和多脉冲作用没有明显的相关性。Kononenko[23]总结了不同的激光器, 不同的波长, 不同的脉冲宽度和多脉冲辐照的石墨层的厚度, 如图2所示。并得出石墨层厚度lg的大小与脉宽τ的变化规律公式:
这里是材料的热扩散系数, c是材料的热容, ρ是材料的密度, k是材料的导热系数) 的厚度。在高能的激光辐照后石墨化过程是一个热刺激的过程, 石墨层的厚度lg取决于热影响区的深度。在脉宽较大时 (τ0.1ns) 热扩散占主导地位, lg正比于并且lg不取决于脉冲宽度, 石墨的吸收系数α0=αg=2×105cm-1实验数据与公式2吻合。值得注意的是, 在飞秒激光作用的一些情况下, lg仅仅几个纳米, 这样极薄的石墨层很难被检测到[21]。
激光诱导金刚石石墨层的出现不仅仅是作为单脉冲或者多脉冲作用在金刚石表面出现光热改变的结果, 当激光的能量密度足够高时, 金刚石表面石墨化在初始脉冲时就会产生, 之后剩余的脉冲能量将被样品更有效地吸收, 并且使表面温度T≈Ts (升华温度) , 结果石墨材料开始消融, 在消融区产生一个凹坑[25]。在凹坑底部观察, 显示底部总是覆盖一层石墨层, 石墨层的厚度和性质通常接近于未消融的石墨层, 这可以通过拉曼光谱、导电性、化学刻蚀激光产生凹坑的物质来检测。
3 脉冲激光去除金刚石机理研究
3.1 金刚石的气化去除
3.1.1 金刚石的气化去除模型
激光辐照金刚石一旦金刚石表面石墨化产生 (不论初始脉冲或者一系列的脉冲序列) 并且激光的强度足够高的时候, 样品的表面加热到石墨的升华温度Ts≈4000℃, 石墨就会被大量去除, 这种去除方式称作气化去除。Komlenok[26]使用KrF激光器能辐照DLC表面, 研究了金刚石石墨化到消融去除的转变, 单脉冲激光辐照金刚石材料, 在Ea>E>Eg (Ea≈0.8J/cm2是激光气化烧蚀阈值, Eg≈0.1J/cm2是金刚石石墨化阈值) 时, 激光辐照金刚石以石墨化为主导, 由于材料石墨化后膨胀的原因, 出现一个凸点, 高度增加, 当E>Ea时, 可以检测到石墨材料开始去除, 当E>>Ea时, 材料的去除速度更快, 石墨化的速度远小于消融去除的速度, 以至于一个单脉冲就可以产生凹坑, 发生气化去除。
3.1.2 金刚石的气化去除速率
气化消融的速率是由激光能量密度决定的, 同时与气氛环境有关。
激光能量在烧蚀阈值附近时, 根据材料的不同和激光参数的变化, 分为两种消融模型[27]。在长脉冲宽度以及高热导材料上, 当时, 烧蚀的厚度是由材料的热扩散决定的, 如果样品的温度在激光辐照的时候保持在T≈Ts, 直到材料的蒸发产生, 消融的速率 (每个脉冲去除的深度) 可以用下面公式表示:
公式中A是样品的吸收率;Lb是金刚石石墨化然后气化去除的厚度;W是激光光束的强度, 由于缺少以及A以及Lb的数值, 计算V使用公式 (3) 十分复杂。Ralchenko[28]使用KrF纳秒激光烧蚀CVD金刚石实验充分证明V正比于E, 与公式 (3) 吻合, 如图3所示, 三种金刚石的材料刻蚀速率V与E是呈线性关系的, 只是每条曲线的斜率 (由决定) 存在轻微的差异。
在短脉冲激光辐照的情况下 ( (χτ) 1/2lg) , 激光辐照的能量用来石墨层的气化, 内部以及热损失可以忽略不计, 这种情况下, V的公式为:
Preuss[29]飞秒激光实验加工高热导系数的金刚石材料证明刻蚀速率V公式4相吻合, Danyi[30]纳秒激光加工较低热导性的DLC膜的消融速率同样与公式4吻合。
公式 (3) 和 (4) 通常应用在能量密度在烧蚀阈值周围的情况下, 在更高的能量密度下, 激光烧蚀速率将会饱和, 不同脉宽下V (E) 曲线[31]高于烧蚀阈值时, 消融速率起初根据公式 (3) 与公式 (4) 确定, 但当能量密度远高于烧蚀阈值时, V (E) 曲线趋于平滑, 最大的V (E) 是在τ=1.5μs, EEa时, V (E) 可以达到5~8mm/脉冲。
Gloor[32]用ArF准分子激光器 (193nm, 脉宽20ns) 在不同气氛环境下对5μm厚的CVD金刚石膜进行辐照, 利用烧蚀深度表示烧蚀速度。研究发现, 在真空和轻气体中 (氦气与氢气) 烧蚀速度高于其他气体, 这可能因为激光产生的蒸汽在真空和轻气体中扩散的比空气中快 (真空中最快) , 氧气气氛下烧蚀速率比空气中和氮气中快, 因为石墨层被化学刻蚀与氧气反应的原因。
3.2 金刚石的化学去除
3.2.1 金刚石的化学去除模型
激光加工金刚石材料通常是在空气中进行, 当激光加工金刚石材料温度接近或者超过石墨化的温度Tg时, 石墨与空气中的氧发生反应产生挥发性的气体如CO2与CO气体, 这种去除材料的方式称作化学去除 (氧化去除) 。连续激光辐照金刚石, 表面温度低于石墨气化温度Ts时化学去除尤为明显。Konov[33]使用20ns的KrF激光加工DLC薄膜, 在E>Ea=0.4J/cm2时, 气化材料去除发生, 去除速率超过10nm/脉冲, 并且在真空和空气中差异不大。然而, 当E<Ea时, 只有在空气中有少量的去除, 在真空中没有去除, 考虑到石墨化的烧蚀阈值Eg=0.07J/cm2, 可以得出当温度T大于石墨化的温度Tg小于气化温度Ts时, 氧化去除是材料的去除方式。同时研究表明空气只影响化学刻蚀的速率, 而对石墨化是没有影响的。
3.2.2 金刚石的化学去除速率
化学去除速率与激光能量参数对其影响不大, 却与氧浓度有密切关系。Yu[34]使用连续激光器 (λ=488nm) 辐照1.25um厚的氢化非晶碳 (α-C:H) 薄膜, 得到化学刻蚀速率公式:
上式中h是刻蚀深度, a是常量, D是氧扩散系数, δ是氧浓度下降气体层的厚度, Ta是反应温度。在低的温度 (a·exp (-Ta/T) CoxD) 时, 公式5可以变换为简单的公式:
相反对于高的激光能量, 对应的高温度T正比于P, 公式5可以变换为:
公式中V是由温度经过D微弱的控制, 对于小的烧蚀点δ可以近似的取值d/2。
4 结论
在脉冲激光微细加工金刚石的过程中, 金刚石首先经过SP3键的破坏形成更多的SP2, 从而转化为石墨相, 这种碳形态的转变在激光加工金刚石过程中有着重要的作用;脉冲激光能量密度的提高, 石墨化为主的相变逐渐转变为气化材料去除, 气化去除速率由脉冲激光能量密度决定;随着脉冲宽度的减小, 石墨化的厚度也越小, 飞秒激光石墨层厚度只有纳米尺度范围;金刚石的化学去除与外界环境有关, 化学去除速率与空气中氧气浓度密切相关。
超短脉冲激光研究 篇8
1 工作原理概述
1.1 基本原理
由于基于线性电光调制的普克尔电光调制器的输出光强I与外加电压V有如下关系[4]
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其中,Im为最大可能输出光强;Vπ为半波电压,它指o光与e光相位差为π时对应的外加电压.因此通过使脉冲光源经过光分路器后,多数光经过合适长度的光纤延迟线接到普克尔电光调制器的光输入端;少数光通过误差调整电路,使普克尔电光调制器两端的电压能够随前端光功率的大小而适当调节,最终实现稳定的输出光脉冲.系统的原理框图如图1所示.
1.2 理论分析
人工培养的KH2PO4单晶体(KDP晶体)属四方晶系,晶体上无外电场时,折射率椭球为旋转椭球.其方程为
B10(x12+x22)+B30x32=1 (2)
其中
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式中,n0,ne分别为单轴晶的寻常光和非常光的主折射率.当晶体上加上外电场后,其折射率椭球将发生变化,其线性电光效应矩阵为:
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由此得出
B1=△B2=△B3=0,△B4=r41E1,
B5=r41E2,△B6=r63E3. (5)
于是加电场后,晶体折射率椭球的表达式为
2r41(E1x2x3+E2x3x1)+2r63E3x1x2+B10xundefined+B20xundefined+B30xundefined=1 (6)
由此可见,加电场后折射率椭球方程出现了交叉项,说明新的折射率椭球的3个主轴不再与晶轴重合,并且垂直于光轴方向的电场分量的电光效应只与r41有关,而平行于光轴方向的电场分量的电光效应只与r63有关.
1.3 系统框架
该设计方案利用光电探测器的输出信号控制光电导开关的导通率,进而高速控制后续系统的光通过率,从而达到前端系统输出稳定的目的.由原理框图1可以看出系统主要包括高速光电探测器电路、积分电路、驱动放大电路、衰减网络电路.下面给出各部分的电路设计.
2 各部分电路设计
2.1 高速光电探测器电路设计
光电探测器对光辐射的物理效应(光子效应和光热效应)是光电探测器工作的基础.纳秒激光脉冲经过高速光电探测电路转换为高速光电流,然后经耦合电容C1交流耦合到后级电路,如图2所示.
容易看出光电流的顺利耦合取决于合适的耦合电容.由于电容的等效模型很复杂,可以看作电阻、电容和电感的级联,它在直流和低频时表现为高阻抗,在中频时表现为低阻抗,较高频时由于电感的作用,阻抗随着频率的增加逐步增大,表现为高阻状态.经分析选择电感较小的某种贴片电容作为耦合电容.
2.2 电荷积分电路设计
对电子量积电荷的积分可以通过将预定时间内的所有脉冲累积积分来实现.积分时间由开关K1控制,闭合K1时进行积分,断开K1则停止积分.同时由后续电路进行电信号的相应处理,处理完成的瞬间通过闭合开关K2来清零积分器,清零后断开K2、闭合K1,重新进行下一次积分.电路原理图如图3所示.
2.3 驱动放大电路设计
纳秒激光脉冲经高速探测器转换为高速光电流,再耦合到电荷积分和驱动放大电路,通过分析主要技术指标分别选用AD8009与AD8055作为集成运放,这部分电路如图4所示.
从图4看出,经过取样电阻R3可以得到取样电压,再经过两级AD8009进行适当的放大后,得到的放大电压经过二极管D2进入C2、R9、R10和AD8055的输入电阻组成的电路.由于AD8055并联于R10,而AD8055的输入阻抗达几十兆欧,因此可以忽略AD8055输入阻抗的影响,这样取样电压随着后面电路放电.为了防止在充电没有完成的情况下已经开始放电,采用D2进行隔离来达到正常工作的目的.放大电压经过AD8055放大后,通过耦合电容C3加到激光器电路中.激光器在耦合的交流信号的作用下应处于线性工作状态区.
2.4 衰减网络电路设计
在常见的T型衰减网络设计中,由于存在并联电阻,从而降低了光电导体的动态范围,增加了大动态范围光电导器件的制作难度.经过比较,选用一种改进的衰减网络模型,其原理如图5所示.不难分析出其动态范围有所增大.此外还要注意使衰减网络的输入、输出阻抗相匹配.
3 关键技术分析
3.1 选取合适的电光调制器基准电压
由前面的式(1)容易看出,通过普克尔电光调制器的光透过率与外加电压的关系是非线性的,只有选择适当的工作点,输出光信号的波形才不至于失真.由于加在普克尔电光调制器两端的电压在Vπ/2附近近似直线,即光强与电压成近似线性关系,因此应设法使普克尔电光调制器工作在此线性区域[5].但在实际电路中,具体选择的作为调整基准的电压点还得结合输入光脉冲的动态范围、输出光脉冲的调整精度、衰减网络的特性等有关因素来选取.因此,普克尔电光调制器基准电压的选取在系统联调中很关键.若选取的基准电压偏小,则对系统的耐高压能力和衰减网络动态范围要求较低,但此时输出光脉冲能量较输入能量损伤较大;若选取的基准电压较大,则对系统的耐高压能力和衰减网络动态范围要求较高,但普克尔电光调制器输出的光脉冲能量较输入光脉冲能量损伤较小.因此在调试电路时要综合衰减网络的动态范围、系统的耐压承受能力和光脉冲输出能量等因素来选取合适的电光调制器基准电压.
3.2 光功率动态范围的调整
在输入光功率的动态范围内,为了达到对输出光脉冲相应的调整功能,要求衰减网络的输出电压具有一定的动态范围,进而要求光电导器件的亮电阻和暗电阻具有一定的动态范围.
将光电导体两端接数字万用表的欧姆档,测得光电导体的亮电阻的最小值为6 Ω,暗电阻为3.5 kΩ.光电导体的动态范围在暗电阻和最小的亮电阻之间变化,由于在该系统中输入的光脉冲幅度是在一定范围内变化的,因此光电导体的动态范围应该是激光器处于线性工作区时所对应的电阻值所确定的范围.显然激光器在大于阈值电流时才能够线性工作,激光器的阈值电流为70 mA,对应的光电导体的阻值为170 Ω,故该光电导体的动态范围是6～170 Ω.采用改进的衰减网络模型,在衰减网络中R1、R2均取30 Ω,设输入电压为1 V,可以算得普克尔电光调制器输入电压的动态范围为
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下面利用数字示波器测量普克尔电光调制器的输入电压.当信号源分别为1.6、2 V时,交流耦合到的普克尔电光调制器的输入电压如图6所示,峰值电压分别为0.033、0.08 V,普克尔电光调制器上的直流电压为0.452 V.这时普克尔电光调制器输入电压的动态范围为
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设U1=Vπ/2,输入光功率为2Ii,则有
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故此时输出、输入光功率的动态范围分别为
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显然在输入光功率调节范围为20%时,输出光功率能满足动态范围要求.若要达到更好的输出光功率的稳定度,可以通过增大运算放大器的放大倍数、减小限流电位器阻值来增大驱动电流,使激光器工作的线性工作范围相对较宽.
3.3 高压开关脉冲与其他光脉冲的同步
要获得良好的光开关功能,实现光脉冲的稳定输出,必须实现加在普克尔电光调制器的高压开关脉冲和通过普克尔电光调制器的光脉冲之间的准确时序关系.考虑到普克尔电光调制器有一定的充电时间,激光脉冲应位于开关脉冲平顶的中间稍后位置.两者延时大于10 ns时,展宽的电脉冲处于相对稳定状态.选取两者的时延为15 ns ,大约需要3 m的光纤延迟线.此外可采用一些抗干扰防冲击措施,包括分别用隔离变压器供电,不共地,触发输入输出脉冲变压器隔离,并实现高压开关脉冲与其他光脉冲的同步[6].
4 结 论
采用本方法设计的系统已经投入使用,能够较好实现对纳秒激光脉冲的稳定,现场使用情况良好.通过验证,本设计方案可使输入光功率在20%的动态范围内变化时,输出光功率稳定在5%的动态范围内,可以达到稳定脉冲光源的目的.但该系统本身也存在着不尽完善的地方,比如要求光电导器件具备较快的响应速度和较大的动态范围、尚未设计温度控制系统和激光器的自动功率控制电路.
参考文献
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