孙 艳，周志明，郭 欢

（空军航空大学，吉林长春 130022）

多波长激光功率计的设计

孙 艳，周志明，郭 欢

（空军航空大学，吉林长春 130022）

根据硅光电池的物理特性，设计出可测量连续激光的功率计。该功率计可对多个波长进行测量，且精度较高，在实验中有较强的实用性和较高利用率。

硅光电池；多波长；功率计

激光功率计是研究连续激光特性的不可或缺的工具，准确的功率测量可以用来计算连续激光器的泵浦效率及激光稳定性测量，真实的反映激光器的性能。激光功率计输出的模拟信号还可转换成数字信号，实时显示出来［1］。本文设计激光功率计的探头采用优质大面积硅光二极管，上限测量范围为20 m W。

1 探头（硅光电池）的物理特性分析

大面积硅光电二极管作探头，响应快，线性范围宽、灵敏度高。它接受入射激光并产生光电流，以光电流的大小表征激光功率值的大小。硅光电二极管测量激光时等效电路，见图1［2］。

图1 硅光二极管测量时的等效电路

AS为电流发生器，产生的电流IS是硅光电二极管接受光辐射后产生的光感电流Ip和暗电流Id以及噪声电流In之和，IS＝Ip＋Id＋In。质量好的硅光电二极管，可近似认为Ip＝Is。图中D是硅光电二极管PN结的等效二极管。在接受光辐射时，通过D的电流I为：

式中：IO为二极管的反向饱和电流，q为电子电荷，K为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，Vd为二极管上的电压，A为有关常数，对于硅管而言，A≈2。流过负载RL上的电流为IL。如果取RL＝0并RS≪Rd，则

如果选用质量好的器件，IO很小，在低光照条件下满足ILRS≪A K T。可得IL≈Ip。实际上IL和Ip总有一小的差别，设PL为其线性偏差值，则

由上式可见，设计激光功率计时，应按照一定线性偏差PL的要求来选取硅光电二极管参数IO、RL、Rd和入射光照的功率值。一般质量较好的硅光电二极管在直接接受1 m W 以下的激光时，很容易满足PL＜0.1%的要求。而硒光电池的灵敏度和频率特性、老化速度都比硅光电池差［3］。

2 激光功率计的设计思想

为了提高硅光电二极管测量激光功率时的线性，必须减小硅光电二极管的负载电阻RL，若能使RL等于零最为理想。为此，常用运算放大器接成I-V转换电路的办法来满足。

如图2所示的电路，运算放大器的等效输入阻抗为：式中：Rid为运放的开环输入电阻，对于场效应管输入的运放Rid＞1010Ω；R0为运放的输出电阻，一般R0≪1 kΩ；AO为运放的开环放大倍数，一般AO＞106，可得：Rin≈0。在此状态下运放的输出电压Vout为Vout＝- Rf·Is，即运放的输出电压Vout与硅光电二极管的短路输出电流IS成正比，而IS值在Rd很大、IS和IO很小的条件下，IS＝Ip，所以输出的电压Vout同光生电流Ip成正比。反馈电阻Rf在放大过程中要引起噪声，由于Rf的存在，在输出端输出的噪声电压为：

图2 I-V转换电路

式中：Δf为运放的工作带宽，Δf＝1／4RcCf。由式上式可见，要提高功率计输出信噪比，必须降低输出噪声电压Eout，因此要选择Rd值高的硅光电二极管作探头，同时Rf的值不可选取太高，并在Rf上并联上高频电容Cf等措施来降低噪声。

3 激光功率计的电路设计

该功率计系统见图3，由探头、放大器、调零电路、定标电路、波长选择开关、光源和功率值数字显示等部分组成。为了防止较强的激光功率照射时降低探头的线性，在测量2 m W以上功率时，探头上附加了一片中性玻璃衰减片。调零电路调整仪器的显示零点。该功率计的特点之一是设计成在高分辨力1 n W时一次调零，除保证1 n W的功率稳定显示外，其他量程不必换档调零。定标电路是用来对仪器指示值进行标定的电路，定标后将其“封住”，以保持量值的稳定和准确。

图3 功率计组成部分

因硅光电二极管有光谱选择性，故在该仪器上设有波长选择开关，测量不同波长的激光时，开关应选择相应的位置。功率计可选测量波长有三个，分别为532 nm，650 nm，1064 nm，在测量半导体功率的同时也可以测量小功率的He-Ne激光器。量程为固定的20 mW，不确定度为3%。

图4 功率计电路图

如图4所示，光信号通过硅光二极管产生光感电流，硅光二极管的光感电流与光强成线性关系。所以当电流通过运算放大器OP07的时候，可以通过I-V转换，把电流变成电压。由于电压很小，因此电路中设置了旁置放大电路使电压放大到可以检测到的强度。电流经过第三个OP07后电流再一次放大。滑动电阻器RP3的设置，是由于测量的环境不但有激光的光强存在，而且还有其他的背景光存在，背景光在一定程度上也可能引起测量的误差，为了消除这个误差而加上了RP3调零电路，这个电路的作用可以消除背景光的干扰，从而提高了测量的精确度，尽量避免了不必要的误差。而RP4，RP5，RP6的作用是根据硅光二极管的光谱特性设定的，由于硅光二极管对不同波段的光谱响应不一，所以电路中加入了这几个滑动变阻器，不同的波段对应不同的电阻值，这些值是经过校正得到的。电路中有三个选择开关，分别对应着532 nm，650 nm和1024 nm三个波长。从第三个OP07来的电流信号进入到第四个OP07，然后输出信号给数字表头，从数字表头就可以读取激光的功率。

4 结 论

在设计激光功率计的过程中，不仅考虑了硅光电池的特性，还有功率计的实用性。所设计的激光功率计测量连续激光功率精度高，并且通过三个选择开关可以对三种波长的激光进行有效的测量，提高了功率计的利用率。

［1］ 石静，苏弘.激光功率计的变换与显示电路［J］.核电子学与探测技术，2004（24）：206-208.

［2］ 郭正强，侯维国.LM-5光电型激光功率计的研制［J］.计量技术，1995，（10）：30-31.

［3］ 徐松涛，武文远.脉冲光峰值功率计的原理［J］.光电子技术与信息，1995，8（6）：21-23.

The Design of Multiwavelength Laser Power Meter

SUN Yan，ZHOU Zhi-ming，GUO Huan

（Air Force Aviation University，Jilin Changchun 130022）

The continuous wave laser power meter is designed according to the physical properties of silicon photocell.The power meter is used to measure multiple wavelengths.The precision，practicability and utilization of the power meter are higher.

silicon photocell；multiwavelength；power meter

O 441.1

A

1007-2934（2011）05-0055-03

2011-06-13