超快激光平衡探测光电脉冲信号整形方法及实现电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学电子器件技术领域，具体涉及一种光电脉冲信号的整形方法及其 实现电路，主要应用于超快激光脉冲的平衡探测中。
【背景技术】
[0002] 光学是研究物质材料，尤其是薄膜材料性质的一种有力手段。光学实验可W获得 材料光学反射率、透射率、楠偏率等数据，并可依据此进一步了解有关材料内部能级，电子 态配对情况、自旋状态等重要信息。特别是随着20世纪末期超短脉冲激光技术的发展，时 间分辨的亚皮砂和飞砂粟浦探测技术应运而生，而如何精确地获得超短激光脉冲与物质相 互作用后脉冲光的强度、偏振状态等性质，是现代光电子学的研究课题之一。
[0003] -般实验室常用的超快激光是惨铁的蓝宝石激光器产生的重复频率约在80MHz， 持续时间约为35-150fs，波长在800nm左右的振荡级激光，W及利用调眼放大振荡级激光 得到的波长和持续时间接近振荡级，但重复频率在1曲Z且单个脉冲能量密度极大的放大 级激光。本说明书将放大级激光划归于低重复频率超快激光范畴。
[0004] 在利用超快激光开展的测量中，经常需要测量超快激光的偏振角度的微小变化。 采用平衡探测方式进行测量原则上可W极大地提高偏振变化的检测灵敏度。在该种测量方 式中，将待检测的脉冲光通过偏振分光法分成两束脉冲光，分别进入两个相同的探测器，然 后将光电流信号进行差分平衡处理。若两个光脉冲强度完全相同，则光电信号为零，若偏振 角度发生变化，则两个光脉冲的强度之差随角度差异线性变化，而差分平衡的光电信号正 比于光强差异，据此获得偏振变化的定量信息。
[0005] 然而，普通的光电平衡探测器在开展低重复频率超快激光脉冲的平衡测量中效果 并不理想。该是因为，对于探测器中成对的光电探头，两者之间总有非常微小的不同，因此 其对超快脉冲激光的响应有所不同，体现在光电脉冲信号的波形失配，尤其是响应时间的 差异，如说明书附图1所示。该种光电脉冲波形的失配导致在光脉冲强度相同的情形下依 然产生很大的差分电信号，或者当脉冲光强不同时，实际光强差异对应的差分信号远小于 由于波形失配产生的差分信号。因此该种波形失配造成的差分信号通常占据了总噪音的很 大部分，降低了探测系统的信噪比。另一方面，由于波形失配形成的差分信号会在很大程 度上限制探测器的总体增益，该同样减弱了探测器检测微弱信号的能力。事实上，实验表明 普通的平衡探测器在进行低重复频率飞砂光脉冲平衡测量时，该种波形失配是很非常明显 的。如何抑制平衡探测器中的波形失配，充分利用平衡探测手段消除大信号的共同噪音，提 高脉冲光强信号差异的检测精度，是本发明平衡探测器的设计目的。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提出一种能够对光电脉冲信号波形失配效应进行有效抑制，提 高平衡检测精度的超快激光脉冲平衡探测光电脉冲信号整形方法及实现电路。
[0007] 为了抑制平衡探测中的光电流脉冲信号波形失配效应，本发明采用电学手段对光 电流脉冲进行整形展宽处理，w减小波形失配引起的差分信号，降低其对平衡效果的不利 影响。附图2是通过脉冲光电信号展宽而减小波形失配导致的差分信号的原理示意图。该 里假设脉冲光电信号的形状接近H角形，两路电信号形状接近，但在上升与下降沿时间上 有时间差化的不匹配，其差分信号如图2 (b)图所示。在保持原始脉冲信号强度H的情形 下，差分信号的大小与脉冲时间宽度T成反比，即展宽程度越大，波形失配引起的差分信号 越小。当波形失配是限制电信号放大能力的关键瓶颈时，增加1，能够有效地减小本底差分 信号，提高信噪比。
[0008] 本发明中，对光电流脉冲信号进行整形展宽处理，其对应的实现电路的传递函数H 可W写成：
【主权项】
1. 一种超快激光平衡探测光电脉冲信号整形方法，其特征在于：采用电学手段对光电 流脉冲进行整形展宽处理，以减小波形失配引起的差分信号，降低其对平衡效果的不利影 响，其中，整形展宽处理所用的传递函数H为：
该传递函数满A
,传递函数线性时不变，且收 敛，其中，是输出f目号，t是时间，S是复变量
T12?T21^X22 …是不同的实参数，量纲为时间，Ha表示直流情况下的传递函数。
2. 根据权利要求1所述的超快激光平衡探测光电脉冲信号整形方法，其特征在于： 设
3. -种基于权利要求1所述的超快激光平衡探测光电脉冲信号整形方法构建的电路。
4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于为先差分后整形平衡探测电路，包括一对 光电二极管，一个集成运算放大器，电阻电容若干，有正负级和地的直流电源，以及PCB板 及电线，接口；顺次级联光电二极管，保证反向偏置连接到直流电源的正负级上，从两个光 电二极管之间引出电流，连接由集成运放搭建的无输入级电阻的无限增益二阶低通滤波电 路的反向输入级，从运放输出引出电压输出信号。
5.根据权利要求3所述的电路，其特征在于为先差分后整形平衡探测电路，包括一对 光电二极管，一个集成运算放大器，电阻电容若干，有正负级和地的直流电源，以及PCB板 及电线，接口；顺次级联光电二极管，保证反向偏置连接到直流电源的正负级上，从两个光 电二极管之间引出电流，连接由集成运放搭建的压控二阶低通滤波电路的输入端，从运放 输出引出电压输出信号。
6.根据权利要求3所述的电路，其特征在于为先差分后整形平衡探测电路，包括一对 光电二极管，两个集成运算放大器，电阻电容若干，有正负级和地的直流电源，以及PCB板 及电线，接口；顺次级联光电二极管，保证反向偏置连接到直流电源的正负级上，从两个光 电二极管之间引出电流，连接由集成运放搭建的级联的两级负反馈积分电路，从后级的运 放输出引出电压输出信号。
7.根据权利要求3所述的电路，其特征在于为先差分后整形平衡探测电路，包括一对 光电二极管，匹配的一对P型和一对N型电流镜，三个集成运算放大器，电阻电容若干，有正 负级和地的直流电源，以及PCB板及电线，接口；顺次级联光电二极管，保证反向偏置，通过 恰当的电流镜结构连接到直流电源的正负级上，从两个光电二极管之间引出电流，连接由 集成运放搭建的无输入端电阻的无限增益二阶低通滤波电路的反向输入级，并由运算放大 级的输出端引出差分电压输出信号，同时由电流镜复制的两路电流信号分别连接两套无输 入级电阻的无限增益二阶低通滤波电路的反向输入级，由运算放大器的输出端引出单端的 电压信号。
8.根据权利要求3所述的电路，其特征在于为先差分后整形平衡探测电路，包括一对 光电二极管，匹配的一对P型和一对N型电流镜，六个集成运算放大器，电阻电容若干，有正 负级和地的直流电源，以及PCB板及电线，接口；顺次级联光电二极管，保证反向偏置，通过 恰当的电流镜结构连接到直流电源的正负级上，从两个光电二极管之间引出电流，连接由 集成运放搭建的两级级联的积分电路输入级，并由后级运算放大级的输出端引出差分电压 输出信号，同时由电流镜复制的两路电流信号分别连接两路级联的积分器输入级，由运算 放大器的输出端引出单端的电压信号。
9. 根据权利要求3所述的电路，其特征在于为先整形后差分平衡探测电路，包括一对 光电二极管，三个集成运算放大器，电阻电容若干，有正负级和地的直流电源，以及PCB板 及电线，接口；分别反向偏置连接两个光电二极管，将电流引出到两个独立的无限增益二阶 低通滤波结构电路，各自的输出引出作为单端信号，同时两个输出连接一个运放构建的差 分放大电路的两个输入端，差分放大的输出端引出作为差分信号。
10. 根据权利要求3所述的电路，其特征在于为先整形后差分平衡探测电路，包括一对 光电二极管，五个集成运算放大器，电阻电容若干，有正负级和地的直流电源，以及PCB板 及电线，接口；分别反向偏置连接两个光电二极管，将电流引出到两个独立的两级的级联积 分电路结构电路，各自后级的输出引出作为单端信号，同时两个输出连接一个运放构建的 差分放大电路的两个输入端，差分放大的输出端引出作为差分信号。
11. 根据权利要求3所述的电路，其特征在于为先整形后差分平衡探测电路，包括一对 光电二极管，三个集成运算放大器，电阻电容若干，有正负级和地的直流电源，以及PCB板 及电线，接口；分别反向偏置连接两个光电二极管，将电流引出到一个一级的积分电路结构 电路，将两个输出连接一个运放构建的，同时具有积分能力的差分放大电路的两个输入端， 差分放大的输出端引出作为差分信号。
【专利摘要】本发明属于光学电子器件技术领域，具体为一种超快激光平衡探测光电脉冲信号整形方法及实现电路。本发明采用电学手段对光电流脉冲进行整形展宽处理，以减小波形失配引起的差分信号,降低其对平衡效果的不利影响，其中，整形展宽处理所用的传递函数H为：，其中，s是复变量，是拉普拉斯反变换记号，是不同的实参数，量纲为时间。具体实现电路有多种。本发明的电学整形方式具有两项电路的额外优势：提升电路高频噪声抑制能力；化简实验设备构成，降低成本，提高数据的准确性和信噪比。
【IPC分类】H03K5-01
【公开号】CN104702248
【申请号】CN201510044868
【发明人】郑哲, 赵海斌, 袁昊辰, 郭文平
【申请人】复旦大学
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年1月29日