孫 艷，周志明，郭 歡

（空軍航空大學，吉林長春 130022）

多波長激光功率計的設計

孫 艷，周志明，郭 歡

（空軍航空大學，吉林長春 130022）

根據(jù)硅光電池的物理特性，設計出可測量連續(xù)激光的功率計。該功率計可對多個波長進行測量，且精度較高，在實驗中有較強的實用性和較高利用率。

硅光電池；多波長；功率計

激光功率計是研究連續(xù)激光特性的不可或缺的工具，準確的功率測量可以用來計算連續(xù)激光器的泵浦效率及激光穩(wěn)定性測量，真實的反映激光器的性能。激光功率計輸出的模擬信號還可轉換成數(shù)字信號，實時顯示出來［1］。本文設計激光功率計的探頭采用優(yōu)質大面積硅光二極管，上限測量范圍為20 m W。

1 探頭（硅光電池）的物理特性分析

大面積硅光電二極管作探頭，響應快，線性范圍寬、靈敏度高。它接受入射激光并產(chǎn)生光電流，以光電流的大小表征激光功率值的大小。硅光電二極管測量激光時等效電路，見圖1［2］。

圖1 硅光二極管測量時的等效電路

AS為電流發(fā)生器，產(chǎn)生的電流IS是硅光電二極管接受光輻射后產(chǎn)生的光感電流Ip和暗電流Id以及噪聲電流In之和，IS＝Ip＋Id＋In。質量好的硅光電二極管，可近似認為Ip＝Is。圖中D是硅光電二極管PN結的等效二極管。在接受光輻射時，通過D的電流I為：

式中：IO為二極管的反向飽和電流，q為電子電荷，K為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，Vd為二極管上的電壓，A為有關常數(shù)，對于硅管而言，A≈2。流過負載RL上的電流為IL。如果取RL＝0并RS?Rd，則

如果選用質量好的器件，IO很小，在低光照條件下滿足ILRS?A K T?？傻肐L≈Ip。實際上IL和Ip總有一小的差別，設PL為其線性偏差值，則

由上式可見，設計激光功率計時，應按照一定線性偏差PL的要求來選取硅光電二極管參數(shù)IO、RL、Rd和入射光照的功率值。一般質量較好的硅光電二極管在直接接受1 m W 以下的激光時，很容易滿足PL＜0.1%的要求。而硒光電池的靈敏度和頻率特性、老化速度都比硅光電池差［3］。

2 激光功率計的設計思想

為了提高硅光電二極管測量激光功率時的線性，必須減小硅光電二極管的負載電阻RL，若能使RL等于零最為理想。為此，常用運算放大器接成I-V轉換電路的辦法來滿足。

如圖2所示的電路，運算放大器的等效輸入阻抗為：式中：Rid為運放的開環(huán)輸入電阻，對于場效應管輸入的運放Rid＞1010Ω；R0為運放的輸出電阻，一般R0?1 kΩ；AO為運放的開環(huán)放大倍數(shù)，一般AO＞106，可得：Rin≈0。在此狀態(tài)下運放的輸出電壓Vout為Vout＝- Rf·Is，即運放的輸出電壓Vout與硅光電二極管的短路輸出電流IS成正比，而IS值在Rd很大、IS和IO很小的條件下，IS＝Ip，所以輸出的電壓Vout同光生電流Ip成正比。反饋電阻Rf在放大過程中要引起噪聲，由于Rf的存在，在輸出端輸出的噪聲電壓為：

圖2 I-V轉換電路

式中：Δf為運放的工作帶寬，Δf＝1／4RcCf。由式上式可見，要提高功率計輸出信噪比，必須降低輸出噪聲電壓Eout，因此要選擇Rd值高的硅光電二極管作探頭，同時Rf的值不可選取太高，并在Rf上并聯(lián)上高頻電容Cf等措施來降低噪聲。

3 激光功率計的電路設計

該功率計系統(tǒng)見圖3，由探頭、放大器、調(diào)零電路、定標電路、波長選擇開關、光源和功率值數(shù)字顯示等部分組成。為了防止較強的激光功率照射時降低探頭的線性，在測量2 m W以上功率時，探頭上附加了一片中性玻璃衰減片。調(diào)零電路調(diào)整儀器的顯示零點。該功率計的特點之一是設計成在高分辨力1 n W時一次調(diào)零，除保證1 n W的功率穩(wěn)定顯示外，其他量程不必換檔調(diào)零。定標電路是用來對儀器指示值進行標定的電路，定標后將其“封住”，以保持量值的穩(wěn)定和準確。

圖3 功率計組成部分

因硅光電二極管有光譜選擇性，故在該儀器上設有波長選擇開關，測量不同波長的激光時，開關應選擇相應的位置。功率計可選測量波長有三個，分別為532 nm，650 nm，1064 nm，在測量半導體功率的同時也可以測量小功率的He-Ne激光器。量程為固定的20 mW，不確定度為3%。

圖4 功率計電路圖

如圖4所示，光信號通過硅光二極管產(chǎn)生光感電流，硅光二極管的光感電流與光強成線性關系。所以當電流通過運算放大器OP07的時候，可以通過I-V轉換，把電流變成電壓。由于電壓很小，因此電路中設置了旁置放大電路使電壓放大到可以檢測到的強度。電流經(jīng)過第三個OP07后電流再一次放大?；瑒与娮杵鱎P3的設置，是由于測量的環(huán)境不但有激光的光強存在，而且還有其他的背景光存在，背景光在一定程度上也可能引起測量的誤差，為了消除這個誤差而加上了RP3調(diào)零電路，這個電路的作用可以消除背景光的干擾，從而提高了測量的精確度，盡量避免了不必要的誤差。而RP4，RP5，RP6的作用是根據(jù)硅光二極管的光譜特性設定的，由于硅光二極管對不同波段的光譜響應不一，所以電路中加入了這幾個滑動變阻器，不同的波段對應不同的電阻值，這些值是經(jīng)過校正得到的。電路中有三個選擇開關，分別對應著532 nm，650 nm和1024 nm三個波長。從第三個OP07來的電流信號進入到第四個OP07，然后輸出信號給數(shù)字表頭，從數(shù)字表頭就可以讀取激光的功率。

4 結 論

在設計激光功率計的過程中，不僅考慮了硅光電池的特性，還有功率計的實用性。所設計的激光功率計測量連續(xù)激光功率精度高，并且通過三個選擇開關可以對三種波長的激光進行有效的測量，提高了功率計的利用率。

［1］ 石靜，蘇弘.激光功率計的變換與顯示電路［J］.核電子學與探測技術，2004（24）：206-208.

［2］ 郭正強，侯維國.LM-5光電型激光功率計的研制［J］.計量技術，1995，（10）：30-31.

［3］ 徐松濤，武文遠.脈沖光峰值功率計的原理［J］.光電子技術與信息，1995，8（6）：21-23.

The Design of Multiwavelength Laser Power Meter

SUN Yan，ZHOU Zhi-ming，GUO Huan

（Air Force Aviation University，Jilin Changchun 130022）

The continuous wave laser power meter is designed according to the physical properties of silicon photocell.The power meter is used to measure multiple wavelengths.The precision，practicability and utilization of the power meter are higher.

silicon photocell；multiwavelength；power meter

O 441.1

A

1007-2934（2011）05-0055-03

2011-06-13