極小占空比半導體激光器峰值光功率的測試裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種極小占空比窄脈寬半導體激光器峰值光功率的測試裝置及方法。
【背景技術】
[0002]通常將激光峰值功率定義為激光脈沖能量與激光脈沖半寬度的比值。當重復頻率較低或脈沖寬度較寬時，可先用波形探測器和示波器測出激光脈沖波形半寬度τ，再用激光能量計測出激光脈沖能量Ε。然后按Ρρ=Ε/τ計算激光峰值功率。當重復頻率較高或脈沖寬度較窄時，由于無法直接測量激光脈沖能量，可先用波形探測器、示波器測出激光脈沖頻率f、激光脈沖波形半寬度τ，再用激光功率計測出激光平均功率？_。然后根據峰值計算公式:
[0003]Ppeak=Pavg/(fX τ)
[0004]計算激光峰值功率P_k。基于這種原理的測量方法，由于涉及環節多，目前還沒有測量儀器出現。
[0005]目前對于上升時間較慢、脈寬較寬的激光脈沖信號，可以通過峰值保持的方法獲取激光脈沖的峰值功率。采用此種方法研制的測量儀器也已經出現，但無法實現對有較快上升時間、極小占空比窄脈寬脈沖信號的峰值檢測。對于上升時間小于5ns的高速激光窄脈沖，目前還沒有儀器能夠直接測量。
[0006]在現有技術中，論文“大功率高速半導體激光峰值功率測試技術研究”(光電子?激光，第17卷第11期，第1343?1345頁，2006年11月)公開了一種基于脈沖展寬與峰值保持原理并且可以直接測量高速脈沖激光峰值功率的方法，使用此方法研制的儀器可以直接顯示高速激光峰值功率。該裝置能夠實現對上升時間10ns、脈寬>50ns高速半導體激光脈沖峰值功率的測量。對上升時間迅速(<5ns)、小占空比窄脈寬激光脈沖信號無法實現峰值功率檢測。
[0007]目前現有兩種脈沖峰值測量方案:⑴測量激光平均功率和脈沖波形，通過計算的方法得到脈沖峰值功率方法，此種方法涉及環節多，目前還無法進行儀器化測量；(2)采用峰值保持的方法研制的激光峰值功率測試裝置無法實現對上升時間迅速、小占空比窄脈寬激光脈沖信號的峰值功率檢測。
[0008]現有技術缺點:
[0009]1.現有的脈沖激光峰值功率技術通常采用獨立儀器或系統分別測量激光平均功率和脈沖波形，再通過手動計算獲得脈沖峰值功率。基于這種原理的測量方法，涉及環節多，無法進行儀器化測量。
[0010]2.對于上升時間較慢，脈寬較寬的激光脈沖可以采用峰值保持法來進行測量。但采用峰值保持法研制的裝置無法實現對上升時間迅速、小占空比窄脈寬激光脈沖信號的峰值功率檢測。
【發明內容】
[0011]為解決現有技術存在的不足，本發明提出一種極小占空比窄脈寬半導體激光器峰值光功率的裝置及方法，能夠實現對具有較快上升時間、極小占空比窄脈寬脈沖信號的峰值檢測，并且能夠將該檢測方法設計成相應的測量儀器。
[0012]為實現上述目的，本發明的具體方案如下:
[0013]極小占空比半導體激光器峰值光功率的測試裝置，包括:
[0014]高速光電轉換和前置放大模塊，將高速激光脈沖的光信號進行光電轉換以及信號的前置放大從而產生高速電脈沖信號；電脈沖信號分別傳輸至高速脈沖光保持與采樣模塊及高速脈沖頻率及展寬測試模塊；
[0015]高速脈沖光保持與采樣模塊，對高速電脈沖信號的保持與采樣，產生積分保持信號，求出脈沖平均功率并傳送至FPGA控制器；
[0016]高速脈沖頻率及展寬測試模塊，實現對高速電脈沖信號的頻率和脈寬的準確測量，并將測量數據傳輸至FPGA控制器；
[0017]FPGA控制及顯示模塊，包括FPGA控制器及功率顯示裝置，FPGA控制器根據得到的脈沖平均功率、高速電脈沖信號的頻率和脈寬實現對脈沖峰值功率的測量并將測量結果傳輸至功率顯示裝置進行顯示。
[0018]進一步的，高速光電轉換和前置放大模塊包括依次連接的可調光衰減器、光電探測器及前置放大器。
[0019]進一步的，高速脈沖光保持與采樣模塊包括依次連接的積分保持電路、程控放大器及高精度A/D轉換器，積分保持電路的輸入端與前置放大器輸出端相連，積分保持電路的輸出端與放電電路的輸入端相連，程控放大器的輸出端還與閾值比較模塊相連，積分保持電路、程控放大器、高精度A/D轉換器、閾值比較模塊、時長控制模塊分別與FPGA控制器相連，時長控制模塊還與放電電路相連。
[0020]進一步的，時長控制模塊控制放電電路調節信號積分時間，使用閾值比較模塊設定的最大、最小門限調節可調衰減器的衰減值以及高速脈沖光保持與采樣模塊中程控放大器的增益值。
[0021]進一步的，高速脈沖頻率及展寬測試模塊包括相連接的程控放大器及高速A/D轉換器，程控放大器及高速A/D轉換器之間的線路上還連接有高速比較器，程控放大器、高速比較器分別與FPGA控制器相連，FPGA控制器還與可調光衰減器相連。
[0022]進一步的，通過時長控制模塊的計時結果觸發控制放電電路調節信號積分時間，使用閾值比較模塊的雙閾值門限比較功能，反饋給FPGA控制器閾值門限狀態，FPGA控制器通過設定的最大、最小門限反饋觸發信號，來調節可調衰減器的衰減值以及程控放大器的增益值，使用這種雙調節方式迅速而有效的調節輸入信號到轉換電路的最佳線性區。
[0023]一種極小占空比半導體激光器峰值光功率的測試方法，包括以下步驟:
[0024]步驟一:對高速脈沖的光信號的進行光電轉換以及信號的前置放大處理；
[0025]步驟二:對步驟一中處理后的信號分兩路進行進一步的處理，分別為:對高速脈沖的光信號的保持與采樣及對高速脈沖的光信號的頻率和脈寬的準確測量；
[0026]步驟三:將步驟二中的對高速脈沖的光信號的保持與采樣信號及對高速脈沖的光信號的頻率和脈寬的準確測量信號分別傳送至控制器進行處理，并將控制器處理后得到的脈沖峰值功率的信息進行顯示。
[0027]進一步的，所述步驟二中，高速脈沖的光信號經過高速脈沖光保持與采樣產生積分保持信號，以此求出脈沖平均功率Pavg，對高速脈沖的光信號的頻率和脈寬的準確測量得到相應的脈沖信號的頻率f和脈寬τ。
[0028]進一步的，FPGA控制器中，脈沖峰值功率Ppeak的計算公式為:
[0029]Ppeak=Pavg/(fX τ)
[0030]其中，脈沖平均功率Pavg，脈沖信號的頻率f和脈寬τ。
[0031]進一步的，高速激光脈沖信號經過高速光電轉換和前置放大產生電脈沖信號，經過高速脈沖光保持與采樣產生積分保持信號V，并與光電轉換的Pin光電二極管的響應率Re和選擇的檔位的阻值共同求出脈沖平均功率PavgV/(RXRe);
[0032]利用計數器模塊測出脈沖信號的頻率f，利用閾值比較器觸發高速時鐘脈寬測量單元求出τ，通過公式Ppeak= Pavg/(fX τ)在FPGA控制及顯示模塊(4)部分求出脈沖峰值功率P_k。
[0033]本發明的有益效果:
[0034]本發明通過高速脈沖光保持與采樣模塊中程控放大器的增益控制與高速光電轉換和前置放大模塊中可調光衰減器的衰減調節，可以實現對不同峰值強度、不同周期、不同脈寬的放大和濾波檔位自動切換控制。通過時長控制模塊控制放電電路調節信號積分時間，使用閾值比較模塊設定的最大、最小門限調節可調衰減器的衰減值以及程控放大器的增益值，使用這種雙調節方式可以迅速而有效的調節輸入信號到轉換電路的最佳線性區，以此保證峰值光功率的準確性。
[0035]本發明可以實現對不同峰值強度、不同周期、極小占空比脈沖的放大，同時具備濾波檔位自動切換、積分時間可調等控制模塊，使得輸入信號能在轉換電路的最佳線性區和最佳積分時間內完成測量，保證峰值光功率的準確性。能夠實現對具有較快上升時間、極小占空比窄脈寬脈沖信號的峰值檢測，并且能夠實現儀器化。
【附圖說明】
[0036]圖1半導體激光器峰值光功率的測試裝置系統功能框圖；
[0037]圖中，1、高速光電轉換和前置放大模塊，2、高速脈沖光保持與采樣