基于光電二極管S－PD850和DSP的激光功率探測器研究

王振 （武漢工程大學電氣信息學院，湖北 武漢430071）

激光作為工業(yè)加工光源被廣泛應用于金屬切割、焊接和標刻等領(lǐng)域，在加工過程中光源的穩(wěn)定性對加工效果的影響至關(guān)重要，因而激光功率的檢測必不可少。同時，為了滿足激光功率的實時調(diào)整，檢測精度和檢測響應速度則是衡量激光功率探測器的重要指標之一［1，2］。目前，國內(nèi)市場所使用激光功率探測儀均主要是檢測連續(xù)輸出功率，其檢測精度較高、成本貴，但是響應速度慢，不能作為實時穩(wěn)定激光輸出的反饋檢測設(shè)備進行使用［3－4］。為了解決上述問題，筆者設(shè)計了一種基于光電二極管S－PD850和DSP（數(shù)字信號處理器）的激光功率探測器，其利用光電探頭的高響應度和DSP處理的高速性實現(xiàn)激光功率的實時采樣與校正。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

研究中使用的激光器波長1064nm，平均功率最大2000W，檢測數(shù)據(jù)為其輸出的平均功率大小，其整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。采用光敏二極管作為激光功率檢測的前置探測器，其輸出經(jīng)過信號調(diào)制送入AD采樣模塊中進行采樣，采樣結(jié)果送入DSP中計算校正獲得的功率信號即可作為數(shù)字信號反饋，也可作為0～5V的模擬信號反饋給激光器進行功率閉環(huán)調(diào)節(jié)。

光敏二極管的光探頭采用S－PD850，其原因是S－PD850的響應速度快（實測可達到10kHz以上），同時感光光譜包含1064nm。具體光譜響應曲線圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要指AD采樣模塊前端，AD采樣模塊前端的主要任務(wù)是濾除暗電流產(chǎn)生的誤差和濾波。AD采樣模塊前端的設(shè)計重點是光敏二極管的信號調(diào)制，其原理圖如圖3所示，其中EC3、EC5使用鉭電容，因而具有較好的濾除電源紋波的效果。采用頻帶較寬的運算放大器可減少信號失真，利用R10和C9構(gòu)成一階濾波電路濾除雜波，同時將PR2用于設(shè)定補償電流以彌補光電二極管暗電流所產(chǎn)生的誤差。

圖4所示為探測激光脈動輸出下的電壓波形，脈動頻率為10kHz，其穩(wěn)定性、響應度可以滿足設(shè)計要求。

AD采樣模塊前端使用分辨率為10位的TLV1572，其采樣速率為1.25MSPS，且能與DSP直接連接。AD采樣模塊前端實物圖如圖5所示。

圖2 S－PD850光譜響應曲線圖

圖3 光敏二極管前端設(shè)計原理圖

圖4 探測激光脈動輸出下的電壓波形圖

圖5 AD采樣模塊前端實物圖

3 補償軟件設(shè)計

AD采樣模塊后端的主要任務(wù)是進行AD采樣數(shù)據(jù)讀取和校正。因為激光經(jīng)過一路衰減后送入光電二極管，且路徑長短以及入射光電二極管的角度均會引入誤差，為此通過對標準源測定得到的補償表來修正誤差。所以為了滿足光電二極管的響應速度和補償計算速度，該試驗采用DSP處理器進行相關(guān)運算處理。采樣補償流程圖如圖6所示。在讀取AD采樣數(shù)據(jù)后首先進行中值濾波，然后將濾波值對照補償表區(qū)間進行補償，并最終輸出補償后的數(shù)據(jù)。圖7所示為軟件總流程圖，在起始階段啟動采樣周期定時器進行采樣，然后通過判斷采樣標識，再讀取補償后功率值并進行相關(guān)處理輸出。

4 仿真試驗

因為被測激光器的輸出總功率為2000W，所以不能直接將光敏二極管對準激光器的輸出光路，而是需要在檢測端前放置衰減片和透射率為1%的反射鏡（見圖1），這樣激光器輸出光束經(jīng)過該反射鏡，會透射與功率成比例光束，該光束再經(jīng)過衰減片后使光功率滿足光敏二極管的最大接收功率后才投射在其上進行功率探測。標準功率與未校正功率和校正功率數(shù)據(jù)對比表如表1所示。由表1可知，校正功率與標準功率誤差小于±1%，而未校正功率與標準功率誤差在－1%～5%，且該誤差隨激光器的輸出功率變化而變化。

圖6 采樣補償流程圖

圖7 軟件總流程圖

表1 標準功率與未校正功率和校正功率數(shù)據(jù)對比表

5 結(jié)語

S－PD850具有較高檢測精度和響應速度，可以快速準確測量激光輸出功率。通過給出的前端硬件檢測電路和軟件處理流程，可補償因探測點位置變動和光路衰減單元的變化引起的測量誤差。仿真試驗時采用高速DSP處理器運算補償，通過對比試驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過校正后的檢測值與標準檢測值之間誤差小于±1%，說明該設(shè)計方法具有較高的實用價值。

［1］張興奎 .激光功率檢測技術(shù)研究 ［D］.長春：長春理工大學，2009.

［2］祝敏，陸耀東，滿春陽，等 .大功率高速半導體激光峰值功率測試技術(shù)研究 ［J］.光電子·激光，2006，17（11）：1343～1345.

［3］王振 .激光脈沖峰值功率實時檢測的研究 ［J］.應用激光，2011，31（5）：409～413.

［4］嵇曉強，戴明，張秋鄂 .基于AD7705的在線激光功率檢測系統(tǒng)設(shè)計 ［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（6）：165～167.