一种新型微弱激光检测系统

引言

随着激光在科学技术研究、医疗卫生、国防科技、精细加工等领域的广泛应用，对微弱激光检测愈加显得重要 , 通常的微弱激光检测系统主要由光电倍增管或调制盘斩波器加光电探测器构成光电转换部分。前者体积较大、需要高压电源,并且使用条件苛刻;后者随着使用过程中轴承的不断磨损，马达轴的径向抖晃不断增大，影响了测试系统的精度。此外,一般微弱激光检测系统都存在非线性及探测器的性能随温度变化等缺点。这些都使得微弱激光检测技术的应用受到了很大的限制。我们采用光电探测器作为系统的光电转换元件,利用音叉进行机械斩波，使入射的恒定(或缓变)光信号直接转化为受调制的交流电信号,对其先进行交流耦合放大，克服了用光电探测器的随温度漂移的影响，再进行锁相放大，用单片机对系统的模拟输出信号进行数据采集,并进行非线性补偿,克服了一般微光探测系统的缺点。该系统具有结构简单、使用方便等特点。

系统设计  

微光探测系统主要由内调制光电探测器、信号处理系统和单片机补偿系统组成。其总体结构如图1所示。  

                            图1 微弱激光检测系统总体原理框图

温控电路系统

由于温度变化对光电探测器存在着影响，所以我们利用了桥式电路，通过铂电阻采集温度信号进行与设定值进行比较，从而利用半导体制冷器对光电探测器进行主动控温，温度控制在+10_C ，控制精度为0.5 _C。这样大大减小了光电探测器随着温度变化带来的负面影响。

信号采集和信号调理系统

首先选取光电探测器作为光电转换器件,通过有电感三点式起振带动音叉的谐振，从而实现了对入射微弱激光的斩波调制,可将入射的恒定(或缓变)光信号转化为受调制的交流电信号。然后通过交流耦合，滤除了直流和低频温漂噪声，从而克服了因温度漂移给系统带来的影响。实际设计中系统的信号处理部分包括前置放大器和AD630芯片的锁相放大。 前置放大器将探测器输出的微弱交流电信号进行预放大。ADI公司的AD630芯片，可以根据该公司提供的器件手册很容易组成一个锁相放大器，该电路能够实现从+100dB噪声中提取出信号，本设计就是利用该电路进行提取微弱信号，参考信号从谐振线圈的中心抽头引出，然后通过移相后作为锁相放大器的参考信号，这样实现了对给定频率的交流信号进行放大而大大抑制其他频率的噪声信号，从而得到与光强成正比的电压信号,并将此信号交由单片机系统进行非线性补偿。

单片机系统设计  

在微弱激光检测系统实际应用中,发现激光较强或较弱时,信号处理电路输出信号的非线性度有一定程度的增加,使输出线性度变差,影响了系统测量的动态范围及测量精度。为此,我们采用单片机系统对其输出信号进行数据采集并做线性补偿。单片机系统的框图如图2所示。

　

                                   图2 单片机补偿和显示系统硬件框图

在EEPROM中存放查表数据，然后利用单片机从A/D转换器读取出测量值，然后进行查表，校正，最后通过8255并行口在LED显示系统上显示测量值。

由于微弱激光探测系统的输出信号非线性特性跟光敏元本身特性有关，没有一个很好的数学模型，因此我们采用查表法对其测量值进行线性补偿。程序采用ＭＣＳ51汇编语言编写,主要包括Ａ/Ｄ转换模块、线性补偿模块和显示模块。 程序流程图如图3所示。

                                                      图3 程序流程图
  
实验结果与讨论  

在实验中我们发现,在入射激光能量较弱时,系统的响应偏离线性,因此需要对其测量结果进行非线性补偿。系统修正结果对比使用单片机对系统进行线性补偿时,必需得到用于修正的表格数据,将其存放在外部EEPROM中。我们用标准激光源作为信号光源，对应于不同光强的标准激光源,记录其输出结果。实验结果表明该系统采用了音叉斩波技术能够有效地克服了探测器随温度变化而漂移，经过单片机系统修正后的输出信号,其线性也有很大改善,说明该系统取得了比较理想的检测效果。

结语

调制微弱激光探测系统利用音叉斩波技术，克服了一般光探测系统的缺点。采用单片机系统对其进行测量结果并做线性,提高了系统的测量精度。该系统具有较强的通用性，采用不同的光敏探测器可以用于不同波段的微光探测，并且在探测器前放置不同的滤波片,该系统可用做不同场合的单波长能量计,在环保，工业，科研等领域有广泛的用途。