基于二極管激光器的光電探測(cè)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量

周雪 周娣 張會(huì)焱

摘要

光電探測(cè)系統(tǒng)在光度測(cè)量及光譜檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，是檢測(cè)的核心部件.光電探測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間反映了該系統(tǒng)能夠探測(cè)的極限，對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量在實(shí)際應(yīng)用中十分必要.本文展示了一種能夠準(zhǔn)確測(cè)量光電探測(cè)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的方法，以常用的可調(diào)諧二極管激光器（波長(zhǎng)為763 nm）為光源，采用方波信號(hào)調(diào)諧光源輸出，測(cè)量了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間.結(jié)果顯示，示波器內(nèi)電阻對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間存在影響，當(dāng)電阻為50 Ω時(shí)，探測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間為4.5 μs.降低電阻值，可以進(jìn)一步縮短響應(yīng)時(shí)間.

關(guān)鍵詞

二極管激光器;光電探測(cè);響應(yīng)時(shí)間

中圖分類號(hào) TM923

文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0 引言

光電探測(cè)系統(tǒng)通常包含光源、控制器、光電探測(cè)器及示波器等組成部分.在檢測(cè)系統(tǒng)中，

光電探測(cè)器可以將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，而后經(jīng)過(guò)示波器內(nèi)部的RC電路或外接電路將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)進(jìn)行顯示和記錄.光電探測(cè)系統(tǒng)在光度測(cè)量及光譜檢測(cè)等許多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[1-4].

隨著二極管激光器的迅速發(fā)展，以二極管激光器為光源的光電探測(cè)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用在各探測(cè)領(lǐng)域.然而探測(cè)系統(tǒng)中的二極管激光器、光電探測(cè)器、電路等都存在響應(yīng)時(shí)間，因此，光電探測(cè)系統(tǒng)對(duì)瞬態(tài)的控制信號(hào)不是即時(shí)響應(yīng)，而是存在一定延遲的，這一延遲的時(shí)間通常被稱為光電探測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間.在連續(xù)性測(cè)量中，通常響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)小于測(cè)試時(shí)間，可以忽略不計(jì).然而，當(dāng)采用光電探測(cè)系統(tǒng)測(cè)量瞬態(tài)過(guò)程時(shí)，則需考慮響應(yīng)時(shí)間的影響，如果待測(cè)瞬態(tài)過(guò)程的時(shí)間小于探測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，會(huì)導(dǎo)致瞬態(tài)過(guò)程難以被觀測(cè).因此，在瞬態(tài)測(cè)量中，通常首先估計(jì)瞬態(tài)過(guò)程的時(shí)間，與光電探測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而選擇能夠滿足測(cè)量要求的探測(cè)系統(tǒng).近年來(lái)，隨著超快光學(xué)、動(dòng)態(tài)顯示等科技的發(fā)展，對(duì)光電探測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間的要求也越來(lái)越高，這也對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量精度提出了較高的要求[5-8].因此，對(duì)光電探測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量十分重要.

測(cè)量光電探測(cè)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的基本方法為脈沖響應(yīng)法，通常以方波信號(hào)調(diào)制光源.光源輸出的光信號(hào)會(huì)滯后于方波信號(hào)，對(duì)于信號(hào)的下降沿，光強(qiáng)衰減呈e指數(shù)形式[9].因此，可以通過(guò)對(duì)測(cè)量的響應(yīng)曲線進(jìn)行e指數(shù)擬合獲得光電探測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間.值得注意的是，由于光電探測(cè)系統(tǒng)中的光電探測(cè)器對(duì)不同波長(zhǎng)的光的響應(yīng)不同，因此，對(duì)于同一探測(cè)系統(tǒng)，在光源波長(zhǎng)不同時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間不同，所以，需要對(duì)所需的波長(zhǎng)分別進(jìn)行測(cè)量.

本文采用脈沖響應(yīng)法，對(duì)以波長(zhǎng)763 nm的二極管激光器為光源的光電探測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果顯示，示波器內(nèi)部RC電路的電阻對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間存在較大影響，電阻越小，響應(yīng)越迅速.當(dāng)電阻值為1 MΩ時(shí)，探測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間為130 μs，而當(dāng)電阻值為50 Ω時(shí)，響應(yīng)時(shí)間為4.5 μs.進(jìn)一步降低電阻值，則系統(tǒng)的響應(yīng)更迅速.然而由于電阻過(guò)小，導(dǎo)致電流信號(hào)轉(zhuǎn)化的電壓信號(hào)也會(huì)隨之減小，信號(hào)的信噪比會(huì)下降.因此在測(cè)量過(guò)程中應(yīng)對(duì)響應(yīng)時(shí)間的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行綜合考量，選擇合適的電阻值.

1 實(shí)驗(yàn)原理

脈沖響應(yīng)法測(cè)量光電探測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，通常是采用方波信號(hào)對(duì)激光輸出的光信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié).由于系統(tǒng)的響應(yīng)存在延遲，因此，探測(cè)到的信號(hào)并不是完美的方波信號(hào)，而是在方波上下沿的瞬變時(shí)有一定的滯后，利用這一特點(diǎn)，即可對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行測(cè)量.光電系統(tǒng)檢測(cè)到的方波的上升沿和下降沿的變化滿足e指數(shù)規(guī)律，通常習(xí)慣以下降沿進(jìn)行研究，其光強(qiáng)的衰減規(guī)律為

I（λ）=I0（λ）exp（-t/τ），? （1）

其中，I（λ）為t時(shí)刻光源輸出的光強(qiáng)，I0（λ）為零時(shí)刻（未衰減時(shí)）的輸出光強(qiáng)，τ為系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間.因此，通過(guò)對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行e指數(shù)擬合即可獲得系統(tǒng)的準(zhǔn)確的響應(yīng)時(shí)間.

2 測(cè)量裝置

探測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間測(cè)量裝置如圖1所示，二極管激光器的溫度和電流由激光控制器進(jìn)行控制，其中，在電流控制器上加入方波對(duì)電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得激光器輸出的光強(qiáng)按照方波的形式隨時(shí)間變化.由激光器輸出的激光被光電探測(cè)器接收，光信號(hào)被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，而后由示波器進(jìn)行顯示和記錄.實(shí)驗(yàn)裝置的型號(hào)與條件如下：激光器采用垂直腔面發(fā)射單模二極管激光器（Laser Components，Single Mode VCSEL 763 nm TO46），其額定輸出功率為0.3 mW，發(fā)射激光的中心波長(zhǎng)為763 nm，隨著輸入電流與溫度的變化，其輸出波長(zhǎng)可在中心波長(zhǎng)附近小范圍調(diào)諧.溫度控制器型號(hào)為Thorlabs TED 200C，Temperature Controller，本實(shí)驗(yàn)中激光器溫度控制在22.4 ℃.電流控制器型號(hào)為Thorlabs LDC 200，VCSEL Laser Diode Controller，本實(shí)驗(yàn)中將激光器注入電流設(shè)置為1.27 mA.此外，在電流控制器上采用信號(hào)發(fā)生器加入一偏置的方波信號(hào)，信號(hào)電壓全部為正值，信號(hào)幅度為500 mV，設(shè)置了不同的頻率值進(jìn)行測(cè)試.光電探測(cè)器為Thorlabs公司生產(chǎn)的D210型探測(cè)器，示波器為Tektronix生產(chǎn)的DPO5054型示波器.

3 測(cè)試結(jié)果與分析

在測(cè)量光電探測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間時(shí)，控制激光器的方波信號(hào)的頻率是十分重要的.若系統(tǒng)的響應(yīng)十分迅速，而方波信號(hào)的設(shè)置頻率較大，則探測(cè)到的方波信號(hào)比較完美，觀察不到探測(cè)系統(tǒng)的延遲現(xiàn)象，無(wú)法測(cè)量響應(yīng)時(shí)間;若系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，而設(shè)置的方波信號(hào)頻率過(guò)快，則探測(cè)到的信號(hào)無(wú)法到達(dá)平衡位置，響應(yīng)時(shí)間同樣無(wú)法測(cè)量.因此，選擇合適的防波頻率十分重要.

此外，光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，再經(jīng)過(guò)電阻后變?yōu)殡妷盒盘?hào)進(jìn)行測(cè)量.因此，示波器內(nèi)部的RC電路的電阻值會(huì)對(duì)測(cè)量的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生直接影響，電阻值越大，信號(hào)越大，但系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間也越長(zhǎng)，反之，電阻越小，系統(tǒng)響應(yīng)更迅速，但探測(cè)到的信號(hào)值較小，信噪比差.在具體的實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要合理取舍，選擇合適的探測(cè)條件.本文分別測(cè)試了較大和較小的兩個(gè)電阻值下系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，比較電阻對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的影響，展示了系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間測(cè)量的方法.

3.1 示波器內(nèi)RC電路電阻值為1 MΩ時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間

首先，測(cè)量了示波器內(nèi)RC電路電阻值較大時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，電阻值設(shè)置為1 MΩ.圖2給出了不同的方波頻率下探測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線.可以看出，當(dāng)方波的頻率為1 kHz時(shí)，上升沿和下降沿均未到達(dá)平衡位置，說(shuō)明系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，該頻率過(guò)大.

當(dāng)方波的頻率為200 Hz時(shí)，能清楚地看到方波信號(hào)在上升沿和下降沿的延遲現(xiàn)象，且整個(gè)周期內(nèi)，達(dá)到平衡位置的時(shí)間約為響應(yīng)滯后時(shí)間的4～5倍，為最佳的擬合頻率，因此，我們采用頻率為200 Hz時(shí)的響應(yīng)曲線進(jìn)行擬合.

如圖3所示，對(duì)下降沿進(jìn)行e指數(shù)擬合，擬合公式如圖中所示，擬合結(jié)果表明，當(dāng)示波器內(nèi)RC電路電阻值為1 MΩ時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間為130 μs.圖3中右上角插圖給出的是下降沿曲線縱坐標(biāo)取ln的結(jié)果，由于下降沿按e指數(shù)衰減，其縱坐標(biāo)取ln后曲線應(yīng)為線性變化規(guī)律.由圖3可見，插圖中數(shù)據(jù)的前段較好地符合線性規(guī)律，說(shuō)明其為e指數(shù)形式，而后段由于信號(hào)強(qiáng)度逐漸減小，信噪比逐漸增大，導(dǎo)致插圖中后端數(shù)據(jù)呈發(fā)散狀.通過(guò)對(duì)線性區(qū)間進(jìn)行擬合，可得其斜率及時(shí)間常數(shù)τ，結(jié)果與e指數(shù)擬合結(jié)果相符.

3.2 示波器內(nèi)RC電路電阻值為50 Ω時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間

同樣，測(cè)量了示波器內(nèi)RC電路電阻為50 Ω時(shí)不同頻率下探測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，如圖4所示.

可以看出，相比于電阻較大時(shí)的情況，電阻減小后，探測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間明顯減小，然而，信號(hào)的信噪比也明顯下降，圖4中不同頻率的響應(yīng)曲線測(cè)量結(jié)果都出現(xiàn)了不同程度的毛刺現(xiàn)象，尤其是信號(hào)的瞬態(tài)變化位置.在實(shí)際測(cè)量時(shí)，信噪比過(guò)差會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生不利影響，因此，通常要重點(diǎn)考慮信噪比.這里，重點(diǎn)觀察電阻對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的影響，因此，不考慮信噪比的問(wèn)題.此外，對(duì)于探測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線來(lái)說(shuō)，光電的轉(zhuǎn)換效率主要由光電探測(cè)器決定，光的接收率與環(huán)境、接收角、探測(cè)器窗口等多種因素有關(guān)，因此，響應(yīng)曲線的縱坐標(biāo)只是相對(duì)強(qiáng)度，改變探測(cè)器的接收位置、角度均會(huì)對(duì)曲線強(qiáng)度產(chǎn)生影響.

由圖4可知，10 kHz的方波頻率下系統(tǒng)的響應(yīng)曲線是最佳擬合曲線，我們對(duì)該曲線進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖5所示.從擬合結(jié)果可以看出，當(dāng)示波器內(nèi)部RC電路的電阻為50 Ω時(shí)，探測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間約為4.5 μs，相較于電阻值為1 MΩ時(shí)的測(cè)量結(jié)果，探測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間大大縮短了.由此可見，降低電路電阻值，可以直接縮短系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間.然而這一結(jié)果是以犧牲信噪比為代價(jià)的，而實(shí)際測(cè)量中，信噪比對(duì)結(jié)果的影響也至關(guān)重要，因此，需要綜合考慮.

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)光電探測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間問(wèn)題，展示了采用脈沖響應(yīng)法準(zhǔn)確測(cè)量探測(cè)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的方法.在測(cè)量過(guò)程中，比較了示波器內(nèi)RC電路電阻對(duì)探測(cè)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的影響，分別對(duì)不同的電阻下的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了測(cè)量.測(cè)量結(jié)果表明，降低電阻值可以明顯縮短系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，然而信號(hào)的信噪比會(huì)受到影響.因此，在實(shí)際測(cè)量中，需要綜合考慮響應(yīng)時(shí)間與信噪比的影響，選取合適的測(cè)量條件.

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Response time measurement of photoelectric detection system based on diode laser

ZHOU Xue1 ZHOU Di2 ZHANG Huiyan3

1 School of Computer Science and Information Engineering，Chongqing Technology and Business University，Chongqing 400067

2 Heilongjiang Yichun Forestry School，Yichun 153000

3 National Research Base of Intelligent Manufacturing Service，Chongqing Technology and Business University，Chongqing 400067

Abstract Photoelectric detection system is the core component of a detector，and is widely used in photo-metric measurement and spectroscopy monitoring.Response time of a photoelectric detection system reflects the fastest response limit of the system in detection.Thus，an accurate measurement of the response time is very important for application.This work shows a method for accurate response time measurement of a photoelectric detection system.Here，a tunable diode laser with a wavelength of 763 nm，usually used in spectroscopy，is used as the light source and is tuned with a square wave.The response time is measured.The results indicates that the resistance of the oscilloscope can influence the response time of the system.The response time of the photoelectric detection system is measured as 4.5 μs when the resistance value is 50 Ω.The response time can be shortened if the resistance value reduces.This work provides a response time measurement method of a photoelectric detection system，which is a basis for the choice of detection system in application.

Key words diode laser;photoelectric detection;response time

收稿日期 2020-01-17

資助項(xiàng)目 重慶工商大學(xué)高層次人才科研啟動(dòng)項(xiàng)目（1956045）

作者簡(jiǎn)介周雪，女，博士，講師，研究方向?yàn)闅怏w光譜檢測(cè)技術(shù).zhouxuehit@163.com