基于PC的双路补偿式光功率波长计

　　波长和功率是光学测量中非常重要的两个物理量。一般的仪器对波长的测量大多采用分光后扫描的办法[1],不仅测量速度慢,仪器体积大,而且很难测量变化的光信号。而光功率计大都使用一个半导体探测器,通过测量其光电流来计算功率,但是探测器在各种波长下的响应度是不同的,所以必须先指定待测光的波长再使用响应曲线修正,否则不可避免地会引入误差,如newport公司的1380-C就是用了这种方法。所以这种方法有很大的局限性,因为待测光的波长事先往往是未知的。

　　本系统采用硅双结色敏器件作为探测器可同时测量硅器件光谱响应范围内光的波长和功率,并且利用波长对功率进行自动修正,提高了功率的测量精度。通过精简模式的数据采集和控制电路得到的信号经由串口直接交给PC进行运算和处理,简化了仪器结构和测量过程。

　　1　光功率和波长测量的基本原理

　　该系统采用的硅双结色敏器件是由纵向排列的两个PN结所构成。测量的基本原理是光照射在其上时,不同波长的光在硅中的透射深度不同,波长愈长透射深度愈深[2],因而光生电流在两个结的分配与入射光的波长有关。经理论计算和实验验证,两个PN结的短路电流比的自然对数与入射波长之间有较好的线性关系[3~4]。即λ∝ln(Isc2/Isc1) (1)

　　同时以硅为基础的PN结受到光照时,其短路电流在很大范围内与光强成正比,如果光强过强出现饱和时可以选择适当的积分球或衰减片将光衰减几个数量级后再测量[5]。所以测量PN结的短路电流可以准确地算出待测光的功率。当待测光的波长经电流比算出后,通过响应度表可以查出两个结在该波长处的响应度,最后通过两个结的短路电流和响应度就可以求出光功率。

　　2　系统的总体设计

　　系统的总体工作流程如图1所示,从色敏器件输出的两路电流信号分别经I/V转换,电压放大,A/D转换后输入到单片机,单片机根据其输入数据的值判断I/V转换比率和电压增益是否合适,若不合适则自动调整后再次采样。如果串口收到PC的指令,则直接把采样数据和总的I/V转换比率发送给PC处理;如果没有则直接计算功率和波长,并通过七段码LED或液晶屏显示出来,这样可以做到不接PC时也能测量。当然这种情况下测量的速度和精度都会有所下降。

　　3　硬件设计

　　3. 1　模拟部分

　　由于做光功率测量时,色敏管输出电流动态范围极大,以武汉大学半导体厂生产的CS21型色敏管为例,其短路电流约在50 pA到1mA之间。为了尽量提高A/D转换器的转换精度,要求电流转换成电压时能够自适应地调节转换比率。所以整个转换过程分为程控I/V和程控电压放大两步进行,其中程控I/V选用输入偏置电流小、输入失调电压低的斩波稳零运放,如ILC7650。减小偏置电流可以减小测量小电流时运放输入端吸入电流对测量结果的影响,降低失调电压可以减小失调电压对后级放大电路的影响。电压放大器采用具有程控功能的PGA20X系列仪用放大器,该放大器可以方便快速地用单片机接口设置成各种不同的放大倍数。为了提高前级转换的精度, I/V转换的比率仅设置两种情况,分别为10 V/μA和1 V/mA,用继电器控制。这样配合后级电压放大器就能将输入电流信号转换成0. 5~5 V范围内的电压信号供A/D采样。