超快激光平衡探測(cè)光電脈沖信號(hào)整形方法及實(shí)現(xiàn)電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)電子器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光電脈沖信號(hào)的整形方法及其 實(shí)現(xiàn)電路，主要應(yīng)用于超快激光脈沖的平衡探測(cè)中。
【背景技術(shù)】
[0002] 光學(xué)是研究物質(zhì)材料，尤其是薄膜材料性質(zhì)的一種有力手段。光學(xué)實(shí)驗(yàn)可W獲得 材料光學(xué)反射率、透射率、楠偏率等數(shù)據(jù)，并可依據(jù)此進(jìn)一步了解有關(guān)材料內(nèi)部能級(jí)，電子 態(tài)配對(duì)情況、自旋狀態(tài)等重要信息。特別是隨著20世紀(jì)末期超短脈沖激光技術(shù)的發(fā)展，時(shí) 間分辨的亞皮砂和飛砂粟浦探測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，而如何精確地獲得超短激光脈沖與物質(zhì)相 互作用后脈沖光的強(qiáng)度、偏振狀態(tài)等性質(zhì)，是現(xiàn)代光電子學(xué)的研究課題之一。
[0003] -般實(shí)驗(yàn)室常用的超快激光是慘鐵的藍(lán)寶石激光器產(chǎn)生的重復(fù)頻率約在80MHz， 持續(xù)時(shí)間約為35-150fs，波長(zhǎng)在800nm左右的振蕩級(jí)激光，W及利用調(diào)眼放大振蕩級(jí)激光 得到的波長(zhǎng)和持續(xù)時(shí)間接近振蕩級(jí)，但重復(fù)頻率在1曲Z且單個(gè)脈沖能量密度極大的放大 級(jí)激光。本說(shuō)明書(shū)將放大級(jí)激光劃歸于低重復(fù)頻率超快激光范疇。
[0004] 在利用超快激光開(kāi)展的測(cè)量中，經(jīng)常需要測(cè)量超快激光的偏振角度的微小變化。 采用平衡探測(cè)方式進(jìn)行測(cè)量原則上可W極大地提高偏振變化的檢測(cè)靈敏度。在該種測(cè)量方 式中，將待檢測(cè)的脈沖光通過(guò)偏振分光法分成兩束脈沖光，分別進(jìn)入兩個(gè)相同的探測(cè)器，然 后將光電流信號(hào)進(jìn)行差分平衡處理。若兩個(gè)光脈沖強(qiáng)度完全相同，則光電信號(hào)為零，若偏振 角度發(fā)生變化，則兩個(gè)光脈沖的強(qiáng)度之差隨角度差異線(xiàn)性變化，而差分平衡的光電信號(hào)正 比于光強(qiáng)差異，據(jù)此獲得偏振變化的定量信息。
[0005] 然而，普通的光電平衡探測(cè)器在開(kāi)展低重復(fù)頻率超快激光脈沖的平衡測(cè)量中效果 并不理想。該是因?yàn)?，?duì)于探測(cè)器中成對(duì)的光電探頭，兩者之間總有非常微小的不同，因此 其對(duì)超快脈沖激光的響應(yīng)有所不同，體現(xiàn)在光電脈沖信號(hào)的波形失配，尤其是響應(yīng)時(shí)間的 差異，如說(shuō)明書(shū)附圖1所示。該種光電脈沖波形的失配導(dǎo)致在光脈沖強(qiáng)度相同的情形下依 然產(chǎn)生很大的差分電信號(hào)，或者當(dāng)脈沖光強(qiáng)不同時(shí)，實(shí)際光強(qiáng)差異對(duì)應(yīng)的差分信號(hào)遠(yuǎn)小于 由于波形失配產(chǎn)生的差分信號(hào)。因此該種波形失配造成的差分信號(hào)通常占據(jù)了總噪音的很 大部分，降低了探測(cè)系統(tǒng)的信噪比。另一方面，由于波形失配形成的差分信號(hào)會(huì)在很大程 度上限制探測(cè)器的總體增益，該同樣減弱了探測(cè)器檢測(cè)微弱信號(hào)的能力。事實(shí)上，實(shí)驗(yàn)表明 普通的平衡探測(cè)器在進(jìn)行低重復(fù)頻率飛砂光脈沖平衡測(cè)量時(shí)，該種波形失配是很非常明顯 的。如何抑制平衡探測(cè)器中的波形失配，充分利用平衡探測(cè)手段消除大信號(hào)的共同噪音，提 高脈沖光強(qiáng)信號(hào)差異的檢測(cè)精度，是本發(fā)明平衡探測(cè)器的設(shè)計(jì)目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提出一種能夠?qū)怆娒}沖信號(hào)波形失配效應(yīng)進(jìn)行有效抑制，提 高平衡檢測(cè)精度的超快激光脈沖平衡探測(cè)光電脈沖信號(hào)整形方法及實(shí)現(xiàn)電路。
[0007] 為了抑制平衡探測(cè)中的光電流脈沖信號(hào)波形失配效應(yīng)，本發(fā)明采用電學(xué)手段對(duì)光 電流脈沖進(jìn)行整形展寬處理，w減小波形失配引起的差分信號(hào)，降低其對(duì)平衡效果的不利 影響。附圖2是通過(guò)脈沖光電信號(hào)展寬而減小波形失配導(dǎo)致的差分信號(hào)的原理示意圖。該 里假設(shè)脈沖光電信號(hào)的形狀接近H角形，兩路電信號(hào)形狀接近，但在上升與下降沿時(shí)間上 有時(shí)間差化的不匹配，其差分信號(hào)如圖2 (b)圖所示。在保持原始脈沖信號(hào)強(qiáng)度H的情形 下，差分信號(hào)的大小與脈沖時(shí)間寬度T成反比，即展寬程度越大，波形失配引起的差分信號(hào) 越小。當(dāng)波形失配是限制電信號(hào)放大能力的關(guān)鍵瓶頸時(shí)，增加1，能夠有效地減小本底差分 信號(hào)，提高信噪比。
[0008] 本發(fā)明中，對(duì)光電流脈沖信號(hào)進(jìn)行整形展寬處理，其對(duì)應(yīng)的實(shí)現(xiàn)電路的傳遞函數(shù)H 可W寫(xiě)成：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種超快激光平衡探測(cè)光電脈沖信號(hào)整形方法，其特征在于：采用電學(xué)手段對(duì)光電 流脈沖進(jìn)行整形展寬處理，以減小波形失配引起的差分信號(hào)，降低其對(duì)平衡效果的不利影 響，其中，整形展寬處理所用的傳遞函數(shù)H為：
該傳遞函數(shù)滿(mǎn)A
,傳遞函數(shù)線(xiàn)性時(shí)不變，且收 斂，其中，是輸出f目號(hào)，t是時(shí)間，S是復(fù)變量
T12?T21^X22 …是不同的實(shí)參數(shù)，量綱為時(shí)間，Ha表示直流情況下的傳遞函數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超快激光平衡探測(cè)光電脈沖信號(hào)整形方法，其特征在于： 設(shè)
3. -種基于權(quán)利要求1所述的超快激光平衡探測(cè)光電脈沖信號(hào)整形方法構(gòu)建的電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電路，其特征在于為先差分后整形平衡探測(cè)電路，包括一對(duì) 光電二極管，一個(gè)集成運(yùn)算放大器，電阻電容若干，有正負(fù)級(jí)和地的直流電源，以及PCB板 及電線(xiàn)，接口；順次級(jí)聯(lián)光電二極管，保證反向偏置連接到直流電源的正負(fù)級(jí)上，從兩個(gè)光 電二極管之間引出電流，連接由集成運(yùn)放搭建的無(wú)輸入級(jí)電阻的無(wú)限增益二階低通濾波電 路的反向輸入級(jí)，從運(yùn)放輸出引出電壓輸出信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電路，其特征在于為先差分后整形平衡探測(cè)電路，包括一對(duì) 光電二極管，一個(gè)集成運(yùn)算放大器，電阻電容若干，有正負(fù)級(jí)和地的直流電源，以及PCB板 及電線(xiàn)，接口；順次級(jí)聯(lián)光電二極管，保證反向偏置連接到直流電源的正負(fù)級(jí)上，從兩個(gè)光 電二極管之間引出電流，連接由集成運(yùn)放搭建的壓控二階低通濾波電路的輸入端，從運(yùn)放 輸出引出電壓輸出信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電路，其特征在于為先差分后整形平衡探測(cè)電路，包括一對(duì) 光電二極管，兩個(gè)集成運(yùn)算放大器，電阻電容若干，有正負(fù)級(jí)和地的直流電源，以及PCB板 及電線(xiàn)，接口；順次級(jí)聯(lián)光電二極管，保證反向偏置連接到直流電源的正負(fù)級(jí)上，從兩個(gè)光 電二極管之間引出電流，連接由集成運(yùn)放搭建的級(jí)聯(lián)的兩級(jí)負(fù)反饋積分電路，從后級(jí)的運(yùn) 放輸出引出電壓輸出信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電路，其特征在于為先差分后整形平衡探測(cè)電路，包括一對(duì) 光電二極管，匹配的一對(duì)P型和一對(duì)N型電流鏡，三個(gè)集成運(yùn)算放大器，電阻電容若干，有正 負(fù)級(jí)和地的直流電源，以及PCB板及電線(xiàn)，接口；順次級(jí)聯(lián)光電二極管，保證反向偏置，通過(guò) 恰當(dāng)?shù)碾娏麋R結(jié)構(gòu)連接到直流電源的正負(fù)級(jí)上，從兩個(gè)光電二極管之間引出電流，連接由 集成運(yùn)放搭建的無(wú)輸入端電阻的無(wú)限增益二階低通濾波電路的反向輸入級(jí)，并由運(yùn)算放大 級(jí)的輸出端引出差分電壓輸出信號(hào)，同時(shí)由電流鏡復(fù)制的兩路電流信號(hào)分別連接兩套無(wú)輸 入級(jí)電阻的無(wú)限增益二階低通濾波電路的反向輸入級(jí)，由運(yùn)算放大器的輸出端引出單端的 電壓信號(hào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電路，其特征在于為先差分后整形平衡探測(cè)電路，包括一對(duì) 光電二極管，匹配的一對(duì)P型和一對(duì)N型電流鏡，六個(gè)集成運(yùn)算放大器，電阻電容若干，有正 負(fù)級(jí)和地的直流電源，以及PCB板及電線(xiàn)，接口；順次級(jí)聯(lián)光電二極管，保證反向偏置，通過(guò) 恰當(dāng)?shù)碾娏麋R結(jié)構(gòu)連接到直流電源的正負(fù)級(jí)上，從兩個(gè)光電二極管之間引出電流，連接由 集成運(yùn)放搭建的兩級(jí)級(jí)聯(lián)的積分電路輸入級(jí)，并由后級(jí)運(yùn)算放大級(jí)的輸出端引出差分電壓 輸出信號(hào)，同時(shí)由電流鏡復(fù)制的兩路電流信號(hào)分別連接兩路級(jí)聯(lián)的積分器輸入級(jí)，由運(yùn)算 放大器的輸出端引出單端的電壓信號(hào)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電路，其特征在于為先整形后差分平衡探測(cè)電路，包括一對(duì) 光電二極管，三個(gè)集成運(yùn)算放大器，電阻電容若干，有正負(fù)級(jí)和地的直流電源，以及PCB板 及電線(xiàn)，接口；分別反向偏置連接兩個(gè)光電二極管，將電流引出到兩個(gè)獨(dú)立的無(wú)限增益二階 低通濾波結(jié)構(gòu)電路，各自的輸出引出作為單端信號(hào)，同時(shí)兩個(gè)輸出連接一個(gè)運(yùn)放構(gòu)建的差 分放大電路的兩個(gè)輸入端，差分放大的輸出端引出作為差分信號(hào)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電路，其特征在于為先整形后差分平衡探測(cè)電路，包括一對(duì) 光電二極管，五個(gè)集成運(yùn)算放大器，電阻電容若干，有正負(fù)級(jí)和地的直流電源，以及PCB板 及電線(xiàn)，接口；分別反向偏置連接兩個(gè)光電二極管，將電流引出到兩個(gè)獨(dú)立的兩級(jí)的級(jí)聯(lián)積 分電路結(jié)構(gòu)電路，各自后級(jí)的輸出引出作為單端信號(hào)，同時(shí)兩個(gè)輸出連接一個(gè)運(yùn)放構(gòu)建的 差分放大電路的兩個(gè)輸入端，差分放大的輸出端引出作為差分信號(hào)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電路，其特征在于為先整形后差分平衡探測(cè)電路，包括一對(duì) 光電二極管，三個(gè)集成運(yùn)算放大器，電阻電容若干，有正負(fù)級(jí)和地的直流電源，以及PCB板 及電線(xiàn)，接口；分別反向偏置連接兩個(gè)光電二極管，將電流引出到一個(gè)一級(jí)的積分電路結(jié)構(gòu) 電路，將兩個(gè)輸出連接一個(gè)運(yùn)放構(gòu)建的，同時(shí)具有積分能力的差分放大電路的兩個(gè)輸入端， 差分放大的輸出端引出作為差分信號(hào)。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于光學(xué)電子器件技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種超快激光平衡探測(cè)光電脈沖信號(hào)整形方法及實(shí)現(xiàn)電路。本發(fā)明采用電學(xué)手段對(duì)光電流脈沖進(jìn)行整形展寬處理，以減小波形失配引起的差分信號(hào),降低其對(duì)平衡效果的不利影響，其中，整形展寬處理所用的傳遞函數(shù)H為：，其中，s是復(fù)變量，是拉普拉斯反變換記號(hào)，是不同的實(shí)參數(shù)，量綱為時(shí)間。具體實(shí)現(xiàn)電路有多種。本發(fā)明的電學(xué)整形方式具有兩項(xiàng)電路的額外優(yōu)勢(shì)：提升電路高頻噪聲抑制能力；化簡(jiǎn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備構(gòu)成，降低成本，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和信噪比。
【IPC分類(lèi)】H03K5-01
【公開(kāi)號(hào)】CN104702248
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510044868
【發(fā)明人】鄭哲, 趙海斌, 袁昊辰, 郭文平
【申請(qǐng)人】復(fù)旦大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年6月10日
【申請(qǐng)日】2015年1月29日