宽波段多量程高精度低功耗便携式激光功率计

摘要

本发明公开了一种宽波段多量程高精度低功耗便携式激光功率计，涉及激光测量及通信技术领域中的激光功率计。本发明包括磁屏蔽金属机盒0和激光接收探头1；在磁屏蔽金属机盒0的操作面板上设置的操作和显示件，在磁屏蔽金属机盒0内设置有功能电路；激光接收探头1、BNC输入接口2、前置放大电路5、调零电路7、波长设定模式切换电路10、波长补偿电路12前后依次连接，波长补偿电路12分别与液晶电压表14和模拟通信BNC输出接口15连接，实现激光功率的测量。本发明适用波长范围广、测量功率范围大、测量精度高、响应快、多供电模式、低功耗体积小、重量轻、可通信、成本低。

说明书

技术领域

本发明涉及激光测量及通信技术领域中的激光功率计，尤其涉及一种宽波段多量程高精度低功耗便携式激光功率计；可广泛应用于物理、化学、光学、生物、机械等各个与激光相关的领域。

背景技术

1960年美国物理学家西奥多·梅曼等人研制出第一台红宝石激光器，1961年贾万等人制成了氦氖激光器，1962年霍耳等人发明了砷化镓半导体激光器，1966年科学家们又研制成了波长可在一段范围内连续调节的有机染料激光器；此后激光器的发展越来越快，种类越来越多，覆盖波段也越来越广。由于激光器具备的种种突出特点，因而被很快运用于工业、农业、精密测量、机械加工、通讯与信息处理、医疗、军事等各方面，并在许多领域引起了革命性的突破。

随着激光产生和应用技术的发展，对激光技术参数的测量也提出了越来越高的要求。众所周知，激光的功率(光强)是激光/激光器最重要的技术参数之一。不仅激光绝对的功率大小广受众人关注，而且在很多尖端的科研和技术领域，对激光功率的稳定度也有非常高的要求。这就需要测量激光功率的仪器同时具有很高的精确度和准确度。

目前激光功率计的接收探头为热电堆式和半导体式两种。热电堆式探头利用激光的热效应，将热能转化成电能从而得出测量结果。其优点是绝对测量结果不随激光波长的改变而改变，但其有一个致命缺点就是在对毫瓦级的弱光进行测量时，环境温度的起伏甚至空气的流动都会对测量结果造成很大的扰动。这一特点决定了其无法达到很高的测量精度和准确度。另一种半导体式探头是利用半导体PN节上的光生伏特效应来将光能转化为电信号。这一工作原理使其摆脱了环境起伏对测量结果的扰动，从而可以达到很高的测量精度和准确度。但因为不同波长/频率的单个光子所携带的能量不同，这就造成了其对不同波长的激光有不同的响应特性和灵敏度。所以需要在电路中增加一个补偿单元，来校正其对不同波长的非线性响应。

目前的半导体光功率计均在不同程度上存在以下技术缺陷：

1、工作波长单一或切换不便以及测量范围狭窄：因为光电二极管的电流/光功率特性随波长而改变，所以多数功率计为单一波长工作模式或者通过电阻排来在几个特定波长中进行切换。通用性很差并且切换很不方便。另外目前的半导体激光功率计均采用单个探头来工作，而目前用任何一种半导体材料制成的探头都有一定的工作范围，一般仅为0.6～0.7μm。

2、量程单一或粗糙：由于光器件和电器件的噪声及性能限制，当使用量程为瓦级的功率计测量毫瓦级激光的功率时偏差会非常大，测量微瓦级激光的功率则根本无法实现。而目前的激光功率计一般只有单个或两三个量程。根本无法解决测量范围与测量精度之间的矛盾。

3、调零机制欠缺：因为光电二极管(光电池)或多或少的都存在一定的暗电流，所有的运算放大器等电子元件也都存在输入偏置电流，并且测量环境中的光线(如白天的日光和夜晚的灯光)都会在测量的结果上增加一个直流的偏移。如果缺乏调零的机制或不完善则进行弱光测量时会给测量的结果带来很大的偏差。

4、供电模式单一：多为外置直流电源供电或内置电池供电。单一外置直流电源供电会使功率计丧失便携性和移动性；单一内置电池供电会使测量过程的连续性和可靠性没有保障。

5、缺乏与其它采集控制设备的兼容性：目前的光功率计一般只提供液晶显示屏作为显示终端，而没有与其它设备通信的端口。这样会给整个系统采集控制的自动化造成很大不便。

目前中国国内尚无同时具有连续波长补偿、调零、多量程大范围测量、模拟输出等功能的功率计专利产品，所以高精度激光功率计的应用领域全部依赖进口。而国外的产品大量的使用单片机，A/D转换，包括数字显示部分都是单片机来控制。一方面软硬结合的工作方式极大地增加了产品的不稳定因素，另一方面也增加了非常多的生产成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种宽波段多量程高精度低功耗便携式激光功率计，解决了现有激光功率计工作波长、量程、供电模式单一，无调零机制及可扩展性等问题，具有更好的通用性、兼容性、可靠性，及更高的测量精度。

本发明的目的是这样实现的：

待测激光经衰减，由光电二极管接收转为光电流后，经前置放大电路转成电压信号，再经波长补偿电路和调零电路转为表示真实光功率的电压值，输出至电压表显示或由模拟通信接口输出；整个系统由单电源转双电源一分二电源电路供电。

功率计有20μW-2W共6个量程以保证测量精度，由面板上单刀六掷开关切换；用模拟开关搭建取样电阻切换电路来选择前置运放的增益，采用逻辑门及模拟开关组成小数点定位电路来控制电压表上小数点的位置。

1、供电模式及供电电路

本发明采用外接直流电源和内置9V电池两种供电模式，前面板供电模式切换开关按下时采用外接供电模式，按起时切换到内置9V电池供电。

采用单电源转双电源及一分二电源电路将9V电源转化为±4.5V双电源，以满足电路中的大多数元器件需要在正负双电源供电模式下工作的需要。

2、测量模式

入射激光经OD3(1‰)的中性衰减片衰减之后经透镜聚焦到10mm感光直径的光电二极管上，光功率信号转化为光电流信号。此光电流信号通过低偏流低偏压低噪声运放所搭建的前置放大电路转化为电压信号。前放电路的放大倍数由前面板单刀六掷量程切换开关驱动取样电阻切换电路使取样电阻在100Ω、1KΩ、10KΩ、100KΩ、1MΩ、10MΩ之间切换而实现切换。光电二极管为日本Hmamatsu公司的S2387-1010R及G8370-82，低偏流低偏压低噪声运放为美国TI公司的TLC2652AIP。

前置放大电路产生的电压信号经调零电路加入直流偏置校正，以去除测量环境中的本底光信号(如白天的日光信号和夜间的灯光信号)以及光电二极管的暗电流信号以及前置放大电路的漏电流信号。调零步骤须在激光入射前进行，即无待测光入射时(保持环境光照跟测量时相同)，旋转前面板调零旋钮，使操作面板上的液晶电压表读数为零。调零电路详细介绍请参看具体实施方式部分。

经过调零电路校正之后的电压信号进入波长补偿电路进行波长校准补偿乘以针对特定波长的补偿系数以去除探测器对于不同频率/波长的入射光的不同响应及敏感度。该补偿系数在波长设定模式中使用操作面板上的波长补偿系数设定旋钮设定，具体请参看下述波长设定模式。

经过波长补偿电路之后的电压信号在有效数字(不含小数点位置)上已经等于入射激光的真实功率。该信号分为两路，一路送入前面板上的低功耗液晶电压表显示，一路经模拟通信BNC输出接口输出到待通讯仪器(如示波器、数据采集卡)上。电压表上小数点的位置由前面板单刀六掷量程切换开关驱动小数点定位电路在电压表上显示。有了表示入射光真实功率的电压有效数字加上正确的小数点位置便可以在电压表上准确读出真实的光功率值。测量完成。

3、波长设定模式

波长补偿系数设定与调零步骤一样须在测量之前进行。按下前面板波长设定模式切换开关，进入波长设定模式。波长补偿电路的输入端与调零电路的输出端断开，与一个1.25V的电压基准连通。此时前面板液晶电压表显示的数字变为1.25V电压基准经一定比例放大后的电压值。这个放大比例由操作面板上的波长补偿系数设定旋钮控制。此电压值便可以作为波长补偿系数(不同波长不同的放大倍数)的相对参考值。我们针对不同的波长给出一系列不同的参考值，通过波长补偿系数设定旋钮设定正确的参考值便完成了该波长下正确的补偿系数(放大倍数)的设定。

具体地说：

本发明包括磁屏蔽金属机盒和激光接收探头；

在磁屏蔽金属机盒的操作面板上设置有操作和显示件，在磁屏蔽金属机盒内设置有功能电路；

其连接关系是：

激光接收探头、BNC输入接口、前置放大电路、调零电路、波长设定模式切换电路、波长补偿电路前后依次连接，波长补偿电路分别与液晶电压表和模拟通信BNC输出接口连接；

单刀六掷量程切换开关分别与取样电阻切换电路和小数点定位电路连接，取样电阻切换电路和前置放大电路连接，小数点定位电路和液晶电压表连接；

调零旋钮和调零电路连接；

波长设定模式切换开关和1.25V电压基准电路分别与波长设定模式切换电路连接；

外接直流电源接口和内电池接口分别与供电模式切换开关连接，供电模式切换开关和开机按钮分别与单电源转双电源供电电路连接。

本发明与现有激光功率计相比，具有以下优点和积极效果：

适用波长范围广、测量功率范围大、测量精度高、响应快、多供电模式、低功耗体积小、重量轻、可通信、成本低。

附图说明

图1为本发明的结构方框图；

图2为本发明前面板示意图；

图3为激光接收探头结构示意图；

图4.1为Si光电二极管S2387-1010R的波长敏感度曲线图；

图4.2为GaInAs光电二极管G8370-82的波长敏感度曲线图；

图5为单电源转双电源供电电路原理图；

图6为取样电阻切换电路原理图；

图7为前置放大电路原理图；

图8为调零电路原理图；

图9为波长设定模式切换电路、1.25V电压基准电路和波长补偿电路原理图；

图10为小数点定位电路原理图。

其中：

0-磁屏蔽金属机盒；

1-激光接收探头；

1.1-金属外壳，1.2-OD3中性衰减片，1.3-聚焦透镜，

1.4-光电二极管，1.5-电磁屏蔽双芯导线，1.6-BNC接头；

2-激光接收探头BNC输入接口；

3-单刀六掷量程切换开关；

4-取样电阻切换电路；

5-前置放大电路；

6-调零旋钮；

7-调零电路；

8-波长设定模式切换开关；

9-1.25V电压基准电路；

10-波长设定模式切换电路；

11-波长补偿系数设定旋钮；

12-波长补偿电路；

13-小数点定位电路；

14-液晶电压表；

15-模拟通信BNC输出接口；

16-外接直流电源接口；

17-内置9V电池接口；

18-供电模式切换开关；

19-单电源转双电源供电电路；

20-开机按钮。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明详细描述：

一、总体

如图1、3，本发明包括磁屏蔽金属机盒0和激光接收探头1；

在磁屏蔽金属机盒0的操作面板上设置的操作和显示件有：液晶电压表14、外接直流电源接口16、供电模式切换开关18、开机按钮20、波长设定模式切换开关8、单刀六掷量程切换开关3、波长补偿系数设定旋钮11、调零旋钮6、激光接收探头BNC输入接口2和模拟通信BNC输出接口15；

在磁屏蔽金属机盒0内设置的电路有：单电源转双电源供电电路19、取样电阻切换电路4、前置放大电路5、调零电路7、1.25V电压基准电路9、波长设定模式切换电路10、波长补偿电路12和小数点定位电路13；

其连接关系是：

激光接收探头1、BNC输入接口2、前置放大电路5、调零电路7、波长设定模式切换电路10、波长补偿电路12前后依次连接，波长补偿电路12分别与液晶电压表14和模拟通信BNC输出接口15连接，实现激光的接收及光电转换；

单刀六掷量程切换开关3分别与取样电阻切换电路4和小数点定位电路13连接，取样电阻切换电路4和前置放大电路5连接，小数点定位电路13和液晶电压表14连接，实现取样电阻及小数点显示位置按照不同的量程切换；

调零旋钮6和调零电路7连接，在信号中增加直流偏置从而抵消测量环境中的本底光信号及电子元件自身的偏置；

波长设定模式切换开关8和1.25V电压基准电路9分别与波长设定模式切换电路10连接，实现测量模式和波长补偿系数设定模式之间的切换；

外接直流电源接口16和内电池接口17分别与供电模式切换开关18连接，供电模式切换开关18和开机按钮20分别与单电源转双电源供电电路19连接，实现供电模式在外接电源供电和内置电池供电之间的切换，并将+9V单电源转为±4.5V双电源为整个仪器供电。

本发明的工作原理是：

激光接收探头1通过激光接收探头BNC输入接口2与前置放大电路5的输入端相连，单刀六掷量程切换开关3驱动的取样电阻切换电路4也与前置放大电路5相连，以实现其在不同增益之间的切换；

前置放大电路5的输出端与调零电路7的输入端相连，调零偏置的大小由调零旋钮6设定；波长设定模式切换开关8驱动波长设定模式切换电路10将波长补偿电路12的输入端在调零电路7的输出端跟1.25V电压基准电路9的输出端之间进行切换，以实现功率计在波长设定模式和功率测量模式之间的切换；

波长补偿系数由波长补偿系数设定旋钮11设定；最后，波长补偿电路12的输出端与模拟通信BNC输出接口15跟液晶电压表14的输入端相连，实现测量结果的输出；

单刀六掷量程切换开关3驱动的小数点定位电路13与液晶电压表14的小数点控制接口相连，以实现小数点的准确定位；

整个系统由单电源转双电源供电电路19供电，供电模式切换开关18与其相连，以实现供电模式在外接直流电源16与内置9V电池17之间切换。

二、功能部件

*磁屏蔽金属机盒0

磁屏蔽金属机盒0选用常用18×16×8cm生铁机盒。

*激光接收探头1

如图3，激光接收探头1包括第1激光接收探头和第2激光接收探头；

其结构是：在金属外壳1.1内，从前到后，依次设置有OD3中性衰减片1.2、透镜1.3和光电二极管1.4；光电二极管1.4、特征阻抗50Ω电磁屏蔽双芯导线1.5和BNC接头1.6前后依次连接。

激光经中性衰减片1.2衰减和透镜1.3聚焦，再经光电二极管1.4转换为电信号，又经特征阻抗50Ω电磁屏蔽双芯导线1.5和BNC接头1.6输出。

如图4.1、4.2，Si光电二极管的波长响应范围为0.3-1.1μm，而GaInAs光电二极管的响应范围为0.9-1.7μm，刚好可以通过互补来实现波长测量范围的加倍；

所以本发明中的激光接收探头1包括两个激光接收探头，

第1、2激光接收探头其光电二极管1.4分别为硅光电二极管S2387-1010R和砷化镓铟光电二极管G8370-82。

当测量0.3-1μm的波长时使用第1激光接收探头；当测量1-1.7μm的波长时使用第2激光接收探头；从而实现从0.3-1.7μm间的无缝连续测量。

*BNC输入接口2

BNC输入接口2选用Q9常用标准件。

*单刀六掷量程切换开关3

单刀六掷量程切换开关3选用通用标准件。

*取样电阻切换电路4

如图6，取样电阻切换电路4由2个3路2选1模拟开关芯片74HC4053搭建而成；从100Ω到10MΩ共有6组取样电阻分别接在6组输入端，6组输出端连在一起接到前置放大电路5的主运放的输出端(6脚)；对应的6组控制端分别与前面板上的单刀六掷量程切换开关3的20μW-2W共6个输出端连接，由操作面板上的一个单刀六掷量程切换开关3实现切换。该切换开关打到哪一个档位，高电平便送入哪一个控制端，从而使相应的取样电阻接入到前置放大电路4中间，实现前置放大电路的增益随测量量程的切换。

*前置放大电路5

如图1，由激光接收探头1产生的光电流信号首先经过由取样电阻切换电路4驱动前置放大电路5。

如图7，其主运放是TI(德州仪器)公司制造型号为TLC2652AIP，输入偏置电流只有2pA，偏置电压只有0.5μV，能有效地保证在测量极微弱光信号的时候对极微弱光电流信号的放大质量；其增益由取样电阻切换电路4在6档取样电阻之间的切换来确定。

*调零旋钮6

调零旋钮6选用Bourns 359010K多圈电位器。

*调零电路7

如图1，由前置放大电路5放大之后的电压信号首先通过调零电路7；

如图8，调零电路7是一个加法电路，偏置的幅度由调零旋钮6控制；其功能是为输入的电压信号增加可调的直流偏置，以去除测量环境中的本底光信号(如白天的日光信号和夜间的灯光信号)以及光电二极管的暗电流信号以及前置放大电路5的漏电流信号。

*波长设定模式切换开关8

波长设定模式切换开关8选用通用双刀双掷直键自锁开关。

*1.25V电压基准电路9

如图9，1.25V电压基准电路9使用美国国家半导体公司的1.25V电压基准LM385-1.2搭建而成；

*波长设定模式切换电路10

如图9，波长设定模式切换电路10由一个3路2选1模拟开关芯片74HC4053搭建而成；

74HC4053中两路信号的控制端连在一起，并通过波长设定模式切换开关8在4.5V高电平与0V低电平之间切换；4.5V电源接在第一路2选1开关的一个输入端，该路输出端与1.25V电压基准电路9的电源端相连；调零电路7的输出端与1.25V电压基准电路9的输出端分别接在第二路2选1开关的两个输入端，该路输出端与波长补偿电路12的输入端相连。

波长设定模式切换电路10实现的功能为：当波长设定模式切换开关8按下时，1.25V电压基准电路9的电源端与4.5V电源连通并开始工作；同时1.25V电压基准电路9的输出端与波长补偿电路12的输入端连通并进入波长设定模式。当波长设定模式切换开关8断开时，1.25V电压基准电路9的电源端与4.5V电源切断并停止工作；同时调零电路7的输出端与波长补偿电路12的输入端连通并进入测量模式。

*波长补偿系数设定旋钮11

波长补偿系数设定旋钮11选用Bourns 3590100K多圈电位器。

*波长补偿电路12

如图9，波长补偿电路12是一个放大倍数可变的反向放大电路，放大倍数由波长补偿旋钮11控制。其输出端与液晶电压表14及模拟通信BNC输出接口15的输入端相连。

*小数点定位电路13

如图10，小数点定位电路13由一个4路或门芯片74HC32及一个3路2选1模拟开关芯片74HC4053组成；

前面板上的单刀六掷量程切换开关3的20μW与20mW、200μW与200mW、2mW与2W输出端分别接在74HC32的三组或门的六个输入端，三组或门的三个输出端分别接在74HC4053的三个控制端，74HC4053的三组输出端分别与液晶电压表14的三个小数点控制端相连接。从而实现液晶电压表14中小数点的定位功能。

举例说明：当单刀六掷量程切换开关3打到20μW或20mW档时，或门芯片的第1路输出高电平(3脚)到模拟开关芯片的Y路控制端(B脚)，从而使Y路输出高电平点亮LCD上第二个小数点，显示示例19.99。同理当单刀六掷量程切换开关3打到200μW或200mW档时，液晶电压表14上第三个小数点点亮，显示示例199.9。当单刀六掷量程切换开关3打到2mW或2W档时，液晶电压表14上第一个小数点点亮，显示示例1.999。

*液晶电压表14

液晶电压表14采用国产通用型2V电压表，型号为UP5035。

满量程显示1999，有3个输入引脚以确定小数点的显示位置，如1脚高电平，小数点显示在1.999；2脚高电平，显示在19.99；这三个脚的高低电平分配由小数点定位电路13控制.

15、模拟通信BNC输出接口15

模拟通信BNC输出接口15选用Q9常用标准件。

16、外接直流电源接口16

外接直流电源接口16选用2.5mm常用标准件。

17、内置9V电池接口17

内置9V电池接口17选用常用标准件。

18、供电模式切换开关18

供电模式切换开关18选用双刀双掷自锁直键开关。

19、单电源转双电源供电电路19

如图5，单电源转双电源供电电路19是一种常用电源电路；

首先由两个等阻值电阻R01、R02做出中值零电位，输入通用运放OP07搭建的电压跟随模块，再经由两个三极管2N3904、2N3906组成功率放大模块做成地电位。从而实现了由+9V电源到±4.5V电源的转换。

20、开机按钮20

开机按钮20选用双刀双掷自锁直键开关。

三、实际测量所得到的参数如下：

适用波长范围：0.3-1.7μm

测量功率范围：10nW-1.99W

最高测量精度：0.5‰(六个量程全部满足)

响应速度：＜30μs

供电模式：内置9V电池或外接9V直流电源

功耗：＜0.5W

电池使用寿命：＞50小时(1节9V电池)

体积(不含探头)：18cm×16cm×8cm

重量(不含探头)：500g

由此可见，本发明实现了一种前文所描述的具有波长范围广、功率范围大、测量精度高、响应快、多供电模式、低功耗体积小、重量轻、成本低等一系列优点的激光功率计。