基于APD激光窄脈沖探測(cè)系統(tǒng)的研究

摘 要： 激光窄脈沖探測(cè)系統(tǒng)主要是由發(fā)射和接收兩部分組成，小功率的激光窄脈沖信號(hào)比較微弱，所以提高光增益增加探測(cè)效率是亟待解決的。傳統(tǒng)的解決手段是選擇靈敏的光電探測(cè)器件，后續(xù)經(jīng)過放大電路進(jìn)行解決。這里采用具有內(nèi)部增益的雪崩二極管作為光敏元件，在此基礎(chǔ)上增加光學(xué)系統(tǒng)，使探測(cè)前就進(jìn)行放大處理，進(jìn)而有效地提高探測(cè)效率。

關(guān)鍵字： 激光探測(cè)； APD； 溫控系統(tǒng)； 光學(xué)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TN312+.7?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）04?0135?04

0 引 言

隨著1960年第一個(gè)紅寶石激光器的誕生，相應(yīng)的激光探測(cè)技術(shù)也越來(lái)越受人們的關(guān)注與研究，激光測(cè)距、激光雷達(dá)、激光制導(dǎo)等國(guó)防級(jí)應(yīng)用都離不開窄脈沖激光探測(cè)技術(shù)[1]。激光探測(cè)核心器件就是能夠探測(cè)激光窄脈沖信號(hào)的光電二極管。雪崩光電二極管（APD）具有借助強(qiáng)電場(chǎng)作用產(chǎn)生載流子的倍增效應(yīng)，所以本文選擇APD作為接收器件。

由于光電轉(zhuǎn)化后形成的電流在遠(yuǎn)距離的時(shí)候比較微弱，無(wú)法用于后續(xù)觀察和應(yīng)用。傳統(tǒng)方法是對(duì)APD探測(cè)器設(shè)計(jì)相應(yīng)的放大電路。以及之后的各種處理電路保證信號(hào)得到更好的采集和放大。本文在研究期間準(zhǔn)備在APD光敏面的適當(dāng)距離處增加透鏡光學(xué)系統(tǒng)，這樣的好處就是在激光到達(dá)APD的光敏面前就已經(jīng)得到了增益的處理，提高了信噪比，然后再設(shè)計(jì)多級(jí)放大器對(duì)APD輸出的弱電信號(hào)放大；這樣起到了“治標(biāo)又治本”的效果。為了使探測(cè)電路能獲得最佳檢測(cè)性能，APD的偏壓需要接近最佳倍增因子時(shí)的電壓。由于最佳倍增因子受外部溫度的影響很大，因此需要及時(shí)調(diào)整雪崩光電二極管的偏壓。傳統(tǒng)方法一般用微處理器進(jìn)行控制，或者是用復(fù)雜的電路實(shí)現(xiàn)。本文中采用AD590和高壓模塊共同對(duì)APD偏壓溫度補(bǔ)償。

1 雪崩光電二極管的特性

1.1 APD的工作原理

APD一般以硅或鍺作為材料，在APD的P?N結(jié)上加適當(dāng)?shù)姆聪蚱珘汉?，?dāng)入射激光被P?N結(jié)吸收后會(huì)形成光電流。如果反向偏壓過大，會(huì)發(fā)生“雪崩”現(xiàn)象。一般光電二極管的反向偏壓最多也就幾十伏，而APD的反向偏壓一般達(dá)到幾百伏量級(jí)。

APD在反向偏壓下工作時(shí)，勢(shì)壘區(qū)中形成很強(qiáng)的電場(chǎng)，使電子和空穴做漂移運(yùn)動(dòng)時(shí)具有很大的動(dòng)能，它們與勢(shì)壘區(qū)的晶格原子碰撞發(fā)生電離，激發(fā)產(chǎn)生的二次電子與空穴在強(qiáng)電場(chǎng)下得到加速又碰撞產(chǎn)生新的電子?空穴，如此下去形成倍增效應(yīng)。綜上，APD探測(cè)的過程可以說是碰撞電離和雪崩倍增的過程[2]。

1.2 外部溫度對(duì)APD探測(cè)的影響

外部的溫度變化對(duì)APD偏置電路的影響主要有兩個(gè)方面：一是APD的晶體之間的強(qiáng)度和碰撞頻率，還有載流子都會(huì)受到溫度的影響，進(jìn)而也就改變了APD的倍增因子[3]；另一方面，溫度變化使負(fù)載電阻噪聲發(fā)生了改變。

APD倍增因子M與P?N結(jié)加的方向電壓V之間的關(guān)系可以用下式描述：

[M=11-（VVB）n] （1）

式中：[V]為外加的反向偏壓；[VB]為擊穿電壓；[n]一般為1～3，取決于半導(dǎo)體材料、輻射波長(zhǎng)。

當(dāng)外加偏壓較小時(shí)，只會(huì)產(chǎn)生光電激發(fā)；當(dāng)偏壓接近擊穿電壓時(shí)，就會(huì)發(fā)生雪崩效應(yīng)，使光電流得到倍增效果；超過[VB]以后，易發(fā)生擊穿，同時(shí)暗電流也越來(lái)越大。因此最佳的偏壓不宜超過[VB]。

適當(dāng)?shù)钠珘捍笮∈墙咏黐VB]但不超過[VB]，保持恒定的倍增因子，此時(shí)APD的信噪比是最大的，對(duì)應(yīng)的增益為最佳雪崩增益，加在其上的電壓為最佳偏壓。但在APD工作過程，擊穿電壓隨溫度的變化影響較大，導(dǎo)致倍增因子很不穩(wěn)定，APD無(wú)法工作在最佳狀態(tài)。

由以上分析可知，要想維持恒定的倍增因子M可以從兩個(gè)方面入手：一是保持外部溫度和偏置電壓不變；另一方面；使偏壓隨溫度變化按照一定的比例改變來(lái)維持增益恒定。

2 APD溫控偏壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 溫度傳感器AD590的原理及應(yīng)用

AD590是美國(guó)ANALOG DEVICES公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源，其輸出電流和溫度成正比例關(guān)系。AD590的測(cè)溫范圍為-55～150 ℃，滿足工程要求。當(dāng)外部溫度每變化1 K，電流變化[1 μA]；公式如下：

[IT=1 μA] （2）

AD590的精度分為I，J，K，L，M五個(gè)檔位，其中M檔精度最高，本文選擇M檔，其非線性誤差為±0.3 ℃。

當(dāng)溫度升高[ΔT]時(shí)，輸出的偏壓可以由式（1）計(jì)算：

[ΔT=ΔI×R] （3）

式中R為串聯(lián)在AD590上的電阻，作用是使電流轉(zhuǎn)化為電壓值。通過設(shè)定R值來(lái)調(diào)節(jié)偏壓模塊，偏壓值小于擊穿電壓，這樣當(dāng)溫度變化時(shí)，加在APD上的反向偏壓將隨著升高或減小，使APD在最佳狀態(tài)下工作。

2.2 APD偏壓電路

APD需要很高的偏壓來(lái)達(dá)到內(nèi)部的增益效果，相對(duì)于傳統(tǒng)的復(fù)雜電路板的設(shè)計(jì)思路，本文采用高壓模塊DC?DC高壓變換器TP?0.3P作為偏壓源搭建偏壓電路。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的偏壓電路，其原理如圖3所示。

為了測(cè)試高壓模塊是否提供作為APD的偏壓，對(duì)偏壓電路進(jìn)行了測(cè)試，繪制如圖4所示測(cè)試曲線。通過圖4可以看到TP?0.3P的線性度是非常好的，完全可以給APD提供偏壓。

3 探測(cè)系統(tǒng)

3.1 基本APD探測(cè)系統(tǒng)

基本的APD探測(cè)系統(tǒng)[4]包括發(fā)射系統(tǒng)、APD接收、APD溫控系統(tǒng)、APD的偏壓電路、以及后續(xù)的放大升壓電路。不過，通過一段時(shí)間的研究和測(cè)試，發(fā)現(xiàn)可以把光學(xué)系統(tǒng)加到APD探測(cè)系統(tǒng)中去，這樣可以在探測(cè)前，就對(duì)激光進(jìn)行了聚光增益的作用。圖5是改進(jìn)后的APD探測(cè)系統(tǒng)。

這里的發(fā)射系統(tǒng)我們采用二極管泵浦激光器（DPSSL），激光器各個(gè)參數(shù)為：出光波長(zhǎng)為1 064.2 nm，脈寬為3.3 ns，峰值功率為2 018 W，發(fā)散角為5.1 mrad。由于DPSSL有很好的方向性、相干性、光譜匹配性等優(yōu)點(diǎn)。所以選擇DPSSL作為激光源。圖6為發(fā)射系統(tǒng)的示意圖。

3.2 光學(xué)系統(tǒng)[5]

由于激光探測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用關(guān)系，設(shè)計(jì)系統(tǒng)要考慮小型化，易集成等特點(diǎn)；所以摒棄傳統(tǒng)大視場(chǎng)角光學(xué)系統(tǒng)的方法，利用凸透鏡成像規(guī)律，提出利用凸透鏡作為光學(xué)系統(tǒng)（見圖7）。有：

[f=1nL-11r1-1r2] （4）

[1u+1v=1f] （5）

式中：[f]為焦距；[u]為物距；[v]為像距；[nL]為透鏡材料折射率；[r1]為凸透鏡物方球面的曲率半徑；[r2]為凸透鏡像方球面的曲率半徑。

APD的光敏面與透鏡的圓心處于同一基準(zhǔn)線上且垂直于基準(zhǔn)線并平行放置，相距[f，]由于[u]遠(yuǎn)大于[f]，像距落在1～2[f]之間，這次選用的APD是由于所用探測(cè)器的圓面半徑為0.75 mm，有相對(duì)折射率公式如下：

[sinθ1sinθ2=n2n1] （6）

式中：[θ1]為介質(zhì)1的入射角；[θ2]為介質(zhì)2的折射角；[n1]為介質(zhì)1的折射率；[n2]為介質(zhì)2的折射率。結(jié)合凸透鏡成像規(guī)律，選取半徑為[r]的透鏡，并將APD激光探測(cè)器的光敏面與透鏡的距離調(diào)節(jié)為[f]。實(shí)際中使用[r=16.5 mm]的凸透鏡。

因此，探測(cè)器在加與未加光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，光敏面接收到的光功率發(fā)生變化，產(chǎn)生光增益[5]：

[G=τ?AAd] （7）

式中：[τ]為光學(xué)系統(tǒng)透射率；[A]為光學(xué)系統(tǒng)入瞳面積；[Ad]為探測(cè)器光敏面面積。該光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)透射率0.92、光學(xué)系統(tǒng)入瞳面積[854.87 mm2]、探測(cè)器光敏面面積[1.77 mm2]，光增益為444.34。

這在激光探測(cè)領(lǐng)域是比較理想的增益效果，在不同溫度和距離的條件下進(jìn)行實(shí)測(cè)，得到的數(shù)據(jù)如圖8，圖9所示。

由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，所取溫度和距離跨度不大，但是效果已經(jīng)很明顯了。溫度幅值關(guān)系這組數(shù)據(jù)是在光學(xué)系統(tǒng)的放大和APD內(nèi)部增益的作用下測(cè)得的數(shù)據(jù)，通過觀察幅值已經(jīng)接近伏特級(jí)了，如果再經(jīng)過后續(xù)放大電路的處理加工，就能得到更佳的幅值效果。測(cè)試結(jié)果隨著溫度的變化最后也趨于穩(wěn)定，溫控效果也比較明顯。距離幅值這組數(shù)據(jù)是在加上后續(xù)放大處理電路、外界溫度25 ℃環(huán)境下測(cè)得的，由圖中也可以看到，由于光的散射作用，隨著距離的增加，激光窄脈沖是減弱的，通過光學(xué)系統(tǒng)和后續(xù)放大電路的共同作用下，可以遠(yuǎn)距離進(jìn)行探測(cè)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)激光窄脈沖探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)效率低的問題，通過理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，得出可以添加光學(xué)系統(tǒng)來(lái)增大光增益，提高探測(cè)效率；本實(shí)驗(yàn)裝置再加上后續(xù)的信號(hào)處理等系統(tǒng)的完善，可以用作激光測(cè)距機(jī)使用。但是本文的光學(xué)系統(tǒng)只是單一的凸透鏡系統(tǒng)，以后可以考慮加入透鏡組來(lái)進(jìn)行深入地分析，可能會(huì)達(dá)到更好的效果。

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