脉冲激光光谱测试仪的设计

　　引 言

　　目前脉冲激光器已在科学研究、工业生产各领域，如快速反应动力学、光谱分析、医学等方面，得到越来越广泛的应用，对脉冲特性的测试也就显得越来越重要。反映脉冲激光器性能的主要参数是能量、脉冲宽度、线宽、光谱特性和光束质量等。由于脉冲激光器的脉冲宽度一般较窄，因而一般很难用常规的连续光源探测方法进行检测。电荷耦合器件 CCD 是一种新型的半导体光电传感器件，当对它施加特定时序的脉冲时，其存贮的信号电荷便能在 CCD 内作定向传输而实现自扫描。因而可以利用 CCD 将脉冲光源光信号转换成电信号，经放大器放大和采样保持后，由 AD 转换成计算机处理的数字信号，并由计算机对数据进行处理。本文利用CCD 进行了脉冲激光光谱测试系统的软、硬件设计及其实现。

　　1 系统设计思想

　　图1为脉冲激光光谱测试系统的原理框图。被测脉冲激光器的出射激光经分光系统后，一部分进入光脉冲同步信号发生器，所产生的同步信号送入CCD 驱动电路中作为同步采样信号;另一部分成像在线阵 CCD 上，由 CCD 将光强信号转换为电信号输出，再经放大器放大后送入数据采集卡的 A/D 转换器进行模/数转换。转换后的数字信号存入数据采集卡的帧存储器中，由计算机控制读入数据，进行光谱数据的分析、处理和显示。

　　1.1 分光系统部分的设计与实现

　　分光系统主要由被测脉冲激光光源、聚光镜、分束镜和光栅光谱仪组成。脉冲激光器出射的激光被分束镜分为两部分,一部分进入光脉冲同步发生器,另一部分由聚焦镜聚焦在光栅光谱仪的入射狭缝上，经光栅光谱仪后在 CCD 上获得一定宽度的平直谱面。

　　光栅光谱仪的工作原理如图2。光源发出的复合光通过透镜与入射狭缝 S1投射到准直物镜M2上，形成平行光束投射到光栅G上,经 G 色散后的光通过 M3,M4成像在出射窗，在出射窗处放置一线阵CCD,光谱即被CCD 接收。当光栅按顺时针方向旋转时,可在 CCD 处得到按波长顺序排列的光谱。

　　1.2 线阵 CCD 驱动电路的硬件设计与实现

　　由计算机控制光积分时间具有很强的灵活性，并且应用 ISP(在系统可编程)技术极大减少了电路的复杂性。本文以我们所用的二相线阵 CCD 器件 TCD1206UD 为例说明CCD 驱动时序的设计方法。

　　TCD1206UD 的有效像元数为2160。它需要四路驱动信号，即转移脉冲ΦSH，复位脉冲ΦR，两相时钟信号Φ1Φ2。有效单元加上虚设单元和暗信号输出单元，在一个ΦSH周期中，至少要有1118个Φ1脉冲，即TSH>1118T1。其驱动波形如图3。