飞焦级纳秒脉冲激光能量探测装置

技术领域

本发明属于光学计量技术领域，主要涉及一套激光能量探测装置，尤其涉及一套飞焦级纳秒脉冲激光能量探测装置。 

背景技术

对于波长为1.064μm、脉宽为5ns～1μs、能量为1fJ～500fJ的激光微能量探测，无论是国内还是国外，实现准确测量都是一个难题。英国国家物理实验室（NPL）、德国联邦物理技术研究院(PTB)、俄罗斯全俄光学物理研究院（VNIIOFI）在1fJ～5×10⁵fJ的微能量探测方面都进行了大量研究，但小于500fJ飞焦的激光能量的探测装置和探测方法没有公开。目前仅有美国国家标准技术研究院（NIST）公开了500fJ以下能量段的校准能力，微能量的校准范围为10^-13J～10^-6J，即100fJ～1×10⁶fJ，但其只能针对激光脉宽为15ns～250ns的激光光源进行校准。更精密和探测精度更高的校准装置未见公开报道。 

对于1.064μm的脉冲激光，当前我国正在研建的微能量标准装置或微能量计的测量范围为1×10^-6J～1×10^-13J，而且只针对200ns以内的脉冲激光。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一套飞焦级纳秒脉冲激光能量探测装置，以解决波长为1.064μm、能量在为1fJ～1pJ、脉宽为5ns～1μs的飞焦级纳秒脉冲激光光源的能量探测问题。 

为解决上述技术问题，本发明提供的飞焦级纳秒脉冲激光能量探测装置包括会聚镜组件、探测器、驱动电路、放大组件和壳体；所述会聚镜组件包括窄带滤光片和会聚透镜，窄带滤光片的中心波长为1.064μm，飞焦级纳秒脉冲激光光源发出的平行光束经窄带滤光片滤光后，由会聚透镜聚焦到探测器的光敏面上；所述探测器为无制冷且含有n个打拿级的光电倍增管，其光电阴极的材料为银氧铯，光敏面直径大于1mm，响应时间小于5ns，n的取值依据飞焦级纳秒脉冲激光能量探测装置的灵敏度和信噪比要求；所述驱动电路包括可调高压电路、分压网络和滤波网络，可调高压电路的作用是为分压网络提供所需的负高压，分压网络包括n+1个串联电阻，第一个电阻的非串接端与探测器的光电阴极和可调高压电路的负高压输出端相连，第n+1个电阻的非串接端接地，n+1个串联电阻的n个串接处与探测器的n个打拿级一一对应相连，其中，第一个打拿级接到与光电阴极相连的电阻的串接端；滤波网络包括m个串联的电容，m≤n，m取决于对渡越噪声的滤波效果要求，分压网络的一端接地，另一端接探测器的第n-m+1个打拿级上，m个串联电容的m-1个串接处与探测器的第n-m+2个至第n个打拿级一一对应连接；所述放大组件的放大倍数不小于64倍，该放大组件包括直流电源、电流电压转换电路、第一至第四级电压放大电路；直流电源提供幅值相同的正电压和负电压；电流电压转换电路的功能是将脉冲电流信号转换为脉冲电压信号；第一至第四级电压放大电路的放大倍数均小于9倍，第一级电压放大电路和第二级电压放大电路相同，第三级电压放大电路和第四级电压放大电路相同；第一级电压放大电路包括第一运算放大器、两个电源滤波电路、信号滤波电路，第一放大电阻、第一反相输入电阻和第一接地电阻，第一运算放大器的正压输入端和直流电源的正电压相连，第一运算放大器的负压输入端和直流电源的负 电压相连；一个电源滤波电路的正极接第一运算放大器的正压输入端，负极接地；另一个电源滤波电路的负极接第一运算放大器的负压输入端，正极接地；第一放大电阻和信号滤波电路同时并联在第一运算放大器的反相输入端和输出端之间；第一接地电阻一端接地，另一端接第一运算放大器的正相输入端；第一反相输入电阻一端接第一运算放大器的反相输入端；第三级电压放大电路包括第二运算放大器、两个电源滤波电路、信号滤波电路，第二放大电阻和第三放大电阻、单刀双掷开关、第二反相输入电阻和第二接地电阻，第二运算放大器正压输入端和直流电源的正电压相连，第二运算放大器的负压输入端和直流电源的负电压相连；一个电源滤波电路正极接第二运算放大器的正压输入端，负极接地；另一个电源滤波电路负极接第二运算放大器的负压输入端，正极接地；信号滤波电路跨接在第二运算放大器的反相输入端和输出端之间；第二、第三放大电阻的一端均与第二运算放大器的输出端相连，另一端空置，单刀双掷开关的固定端和第二运算放大器的反相输入端相连，单刀双掷开关选择端根据所需放大倍率而与第二放大电阻或第三放大电阻的另一端导通；第二接地电阻一端接地，另一端接第二运算放大器的正相输入端；第二反相输入电阻一端接第二运算放大器的反相输入端；所述电源滤波电路由三个并联的电容构成，其中一个电容为电解电容；所述第一运算放大器、第二运算放大器的带宽均不小于1G；电流电压转换器的一端接地，另一端同时与第一级电压放大电路的第一反相输入电阻的另一端以及探测器的阳极相连，第一级电压放大电路的输出端和第二级电压放大电路的第一反相输入电阻的另一端相连，第二级电压放大电路的输出端和第三级电压放大电路的第二反相输入电阻的另一端相连，第三级电压放大电路的输出端和第四级电压放大电路的第二反相输入电阻的另一端相连。 

本发明选用了无制冷且光电阴极为银氧铯材料的PMT探测器，并通过设置合适的输出阻抗，使其响应时间小于5ns，通过增加打拿级的使用数量来提高增益上限，由此为探测飞焦级纳秒脉冲激光奠定了技术基础；所用驱动电路依靠适宜的高压输出以及匹配设计的分压网络和滤波网络，使探测器具有高灵敏度和低暗电流的输出；所用放大组件以高带宽的运算放大器为核心，并采用四级放大电路设计，即前两级放大电路放大倍数均为8倍，后两级放大电路的放大倍数可选择1倍或8倍，这样既保证了放大组件的带宽大于200MHz，同时还可对探测器的输出进行64倍、512倍或4096倍的放大，以满足后续应用装置的采集要求。本发明解决了飞焦级纳秒脉冲激光的探测问题，同时也实现了超高速微弱脉冲信号的放大输出。 

附图说明

图1是本发明飞焦级纳秒脉冲激光能量探测装置的组成框图。 

图2是图1中所示驱动电路的原理图。 

图3是图1中所示放大组件的电路图。 

具体实施方式

下面结合附图及优选实例对本发明作进一步的详述。 

如图1、图2所示，本发明飞焦级纳秒脉冲激光能量探测装置的优选实施例包括固定在壳体5内的会聚镜组件、探测器、驱动电路和放大组件。会聚镜组件包括窄带滤光片和会聚透镜，窄带滤光片的中心波长为1.064μm，飞焦级纳秒脉冲激光光源发出的平行光束经窄带滤光片滤光后，由会聚透镜聚焦 到探测器的光敏面上。会聚透镜的口径为80mm。壳体5是使用不透明材料制作的腔体，在一个端面中央开有大于被测光束直径的通光孔，本实施例中壳体5直径为120mm、长度为260mm，通光孔直径为82mm，允许直径80mm以内的飞焦级纳秒脉冲激光光源发出的光进入。 

探测器需要实现对波长为1.064μm、能量在1fJ～1pJ、脉宽为5ns～1μs的飞焦级纳秒脉冲激光光源的能量探测，要求探测器光敏面积直径大于1mm，光谱响应范围涵盖1.064μm，响应时间小于5ns。通常用于波长1.064μm激光的探测器如铟镓砷（InGaAs）、硼化铟（InP）、硅材料的光电二极管，或InP、InGaAs阴极材料的光电倍增管（PMT）均无法满足上述要求。 

而对阴极材料为银氧铯（Ag-O-Cs）的PMT探测器而言，通过增加打拿级的使用数量，可使其增益达到10⁶以上，响应时间小于5ns，在1.064μm处的总灵敏度在500A/W以上，信噪比大于10。本实施例中，探测器采用日本滨松公司的R5108型PMT探测器，其阴极材料为银氧铯（Ag-O-Cs），该探测器使用中无需制冷，且含有n=9个依次为DY1、DY2、DY3、DY4、DY5、DY6、DY7、DY8、DY9的打拿级，光敏面尺寸为18mm×16mm，该探测器在输出阻抗为50Ω时，对应响应时间为1.1ns。 

驱动电路用于对探测器进行驱动，使探测器能够正常地进行光电转换，实现所需要的增益和信噪比。根据图3所示，驱动电路包括可调高压电路、分压网络和滤波网络，可调高压电路的作用是为分压网络提供所需的负高压。本实施例中，可调高压电路包括+12V直流电源、高压模块N3、可调电阻W1、滤波器，滤波器对+12V直流电源进行滤波，高压模块N3将+12V电压转换成负高压。可调电阻W1满量程阻值为50KΩ。高压模块N3型号为C6919-01C4，滤波器由并联的两个电容构成，其中一个电容为电解电容C4，且容值为 220μF，另一个电容C5的容值为0.1μF。+12V直流电源同时与滤波器正极端和高压模块N3的电压输入端a1相连，滤波器的负极端接地；高压模块N3的外壳和接地端口a2接地，可调电阻W1的滑动端与高压模块N3的电压调节端a3连接，可调电阻W1的两个固定端分别接高压模块N3的参考电压输入端a4和地，高压模块N3的高压输出端b1连接探测器的光电阴极K，当高压模块N3的电压调节端a3与参考电压输入端a4之间的电阻为50KΩ时，对应高压输出端b1输出电压为-1500V，当高压模块N3的电压调节端a3与参考电压输入端a4之间的电阻为41.7KΩ时，对应高压输出端b1输出电压为-1250V，本实施例中，通过调节可调电阻W1使高压模块N3的电压调节端a3与参考电压输入端a4之间的电阻固定在41.7KΩ。 

分压网络包括十个串联电阻，第一个电阻R1的非串接端与探测器的光电阴极K和可调高压电路的负高压输出端b1相连，第十个电阻R10的非串接端接地，十个串联电阻的九个串接处与探测器的九个打拿级DY1～DY9一一对应相连，其中，第一个打拿级DY1接到电阻R1的串接端。电阻R1阻值为500KΩ，电阻R2～R10阻值均为300KΩ。在此分压网络作用下，探测器的各打拿级间压差约为115V，探测器的光电阴极K与第一打拿级DY1之间的压差约为200V，此种分压模式作用于探测器后，能有效提高探测器的增益并大幅度减小阳极输出暗电流。 

滤波网络包括m个串联的电容，m≤n，m取决于电路中对渡越噪声的滤波效果要求，滤波网络的一端接地，另一端接探测器的第n-m+1个打拿级上，m个串联电容的m-1个串接处与探测器的第n-m+2个至第n个打拿级一一对应连接。滤波网络用以滤除探测器打拿级间的渡越噪声，降低阳极输出噪声，探测器的打拿级在加载电压时存在渡越噪声，此种噪声在有被测光束出现时 会增大，同时随着打拿级的级数增加，渡越噪声逐级叠加，越到后面的打拿级渡越噪声越大，严重影响输出信号的信噪比；本实施例中，滤波网络m=3，三个电容C1、C2、C3的容值均为0.01μF，从而滤除加到探测器的三个打拿级DY7、DY8、DY9上的级间渡越噪声，即降低了探测器的阳极P的输出噪声。 

在驱动电路的作用下，探测器对于波长为1.064μm、能量为1fJ～1pJ、脉宽为5ns～1μs脉冲激光光源，可实现8×10⁶的增益，在1.064μm处的总灵敏度为750A/W左右，其最小的信噪比也在30倍以上，输出电流I_PMT范围为0.0015mA～1.5mA。 

为了使放大后的信号易于被后续装置采集或处理，要求放大组件的放大倍数不小于64倍，电路截止带宽不小于200MHz。放大组件包括直流电源、电流电压转换电路、第一至第四级电压放大电路。直流电源提供+5V和-5V的电压。电流电压转换电路的功能是将脉冲电流信号转换为脉冲电压信号。为满足电路截止带宽的要求，第一至第四级电压放大电路的放大倍数均小于9倍。第一级电压放大电路和第二级电压放大电路相同，第三级电压放大电路和第四级电压放大电路相同。第一级电压放大电路包括第一运算放大器N1、两个电源滤波电路、信号滤波电路，阻值为400Ω的第一放大电阻R13、阻值为50Ω的第一反相输入电阻R12和阻值为50Ω的第一接地电阻R14。第一运算放大器N1为AD公司的高速精密运算放大器AD8009，该运算放大器带宽为1GHz。第一运算放大器N1的正压输入端接+5V，第一运算放大器N1负压输入端接-5V；一个电源滤波电路的正极接第一运算放大器N1的正压输入端，负极接地；另一个电源滤波电路的负极接第一运算放大器N1的负压输入端，正极接地；第一放大电阻R13和信号滤波电路同时并联在第一运算放大器N1的反相输入端和输出端之间；信号滤波电路包括一个容值为0.0001μF的电容C6，第一接地电阻R14一端接地，另一端接第一运算放大器N1的正相输入 端；第一反相输入电阻R12一端接第一运算放大器N1的反相输入端； 

第三级电压放大电路包括第二运算放大器N2、两个电源滤波电路、信号滤波电路、阻值为50Ω的第二放大电阻R20、阻值为400Ω的第三放大电阻R21、单刀双掷开关、阻值为50Ω的第二反相输入电阻R18和阻值为50Ω的第二接地电阻。第二运算放大器N2也选用AD公司的高速精密运算放大器AD8009，第二运算放大器N2的正压输入端接+5V，负压输入端接-5V；一个电源滤波电路正极接第二运算放大器N2的正压输入端，负极接地；另一个电源滤波电路负极接第二运算放大器N2的负压输入端，正极接地；信号滤波电路跨接在第二运算放大器N2的反相输入端和输出端之间；两个放大电阻一端均与第二运算放大器N2输出端相连，另一端空置，单刀双掷开关的固定端和反相输入端相连，单刀双掷开关选择端根据所需放大倍率而与第二放大电阻R20或第三放大电阻R21的另一端相连；第二接地电阻R19一端接地，另一端接第二运算放大器N2的正相输入端；第二反相输入电阻R18一端接第二运算放大器N2的反相输入端；电源滤波电路由三个并联的电容构成，三个电容的容值分别为10μF、0.1μF和0.001μF，其中容值为10μF的电容是电解电容。 

电流电压转换器的一端接地，另一端同时与第一级电压放大电路的第一反相输入电阻R12的另一端以及探测器的阳极P相连，第一级电压放大电路的输出端和第二级电压放大电路的第一反相输入电阻R12的另一端相连，第二级电压放大电路的输出端和第三级电压放大电路的第二反相输入电阻R18的另一端相连，第三级电压放大电路的输出端和第四级电压放大电路的第二反相输入电阻R18的另一端相连。 

在以上电路的共同作用下，放大组件中电流电压转换电路的输出电压U₁满足U₁=I_PMT×R11，U₁的量值范围为0.075mV～75mV，第一级电压放大电路输出U₂满足U₂=（R13/R12）×U₁，第二级电压放大电路输出U₃满足U₃= （R13/R12）×U₂，第三级电压放大电路输出U₄满足U₄=（（R20或R21）/R18）×U₃，第四级电压放大电路输出U₅满足U₅=（（R20或R21）/R18）×U₄，放大组件输出电压，即第四级电压放大电路输出U₅的范围为300mV～4800mV，输出阻抗为50欧姆，满足后续应用装置的采集要求。