Снятие и обработка быстрого сигнала с фотодиода, Нужна помощь в измерении интенсивности короткоимпульсного лазера Опции

[DmitrijProF]

Добрый день!

Имею задачу, справиться с которой оказалось сложнее, чем ожидал.

Необходимо остлеживать относильное изменение интенсивности лазерного излучения при внешних возействиях. Излучение импульсное, длина импульса - сотни пикосекунд, период - сотни миллисекунд. Номинальная мощность высока, но может быть приведена к необходимой оптическими фильтрами. Предполагаю использовать для этого pin-фотодиод с емкостью порядка единиц пикофарад. Далее - преобразователь ток-напряжение на быстром операционном усилителе (макетировал на AD8000, предварительно получается что-то). Как обработать и оцифровать результат? Рассматривал несколько вариантов:
Собрать столь быстрый интегратор не получилось, даже на стадии моделирования ничего не вышло хорошего.
С пиковым детектором так же: слишком быстрый процесс.
Пока наиболее перспективным кажется использовать быстрый компаратор с RS-триггером, подавая на второй вход уровень с ЦАП микроконтроллера. Метод требует большого количества измерений, а значит и времени, но так как интересует не точное абсолютное значение, а его относительное изменение, можно уложиться на грани допустимого. Хочется чего-то получше.

Есть ли у Вас идеи на этот счет? Буду рад любым советам.
Заранее спасибо!

[dac]

Добрый день!
Имею задачу, справиться с которой оказалось сложнее, чем ожидал.
Необходимо остлеживать относильное изменение интенсивности лазерного излучения при внешних возействиях. Излучение импульсное, длина импульса - сотни пикосекунд, период - сотни миллисекунд.
Есть ли у Вас идеи на этот счет? Буду рад любым советам.
Заранее спасибо!

посмотрите схемотехнику гамма- рентген- спектрометров, там принципы те же, обработка коротких импульсов с PIN-диода (точнее подобного или фэу, но это не важно). так как у Вас большие периоды, детектор наложений и стабилизатор нулевой линии можно исключить, что сильно упростит схемотехнику. да и с шумами получше.

[Myron]

Сообщение удалил, возможно в нем была ошибка.

[net]

Добрый день!

Имею задачу, справиться с которой оказалось сложнее, чем ожидал.

Необходимо остлеживать относильное изменение интенсивности лазерного излучения при внешних возействиях. Излучение импульсное, длина импульса - сотни пикосекунд, период - сотни миллисекунд. Номинальная мощность высока,

может тупо мерять тепло - и смотреть куда оно плывет- я так понял что вам не нужно N импульс относительно N+n мерять? а среднее по деревне нужно
есть же тепловые головки - не используете?

[Alex11]

Я решал аналогичную задачу лет двадцать назад, еще на советских компонентах. Схемотехника не сохранилась, но общая идея была следующая. Не используйте pin-диод. Поставьте что-нибудь класса ФД-7 с большим окном. В предположении, что длительность импульса постоянна, энергия его будет пропорциональна амплитуде. А энергию Вам даст интеграл от импульса с фотодиода. При этом там уже никаких пикосекунд не будет, фронт будет десяток наносекунд, спад и того больше. Так что собирайте интегратор. Усилитель на входе не нужен - амплитуда при прямом лазерном импульсе там будет и так большая.

[AnatolyT]

Оцифровка компаратором с защелкой на выходе скорее будет наиболее компактным и недорогим решением, можно даже пойти дальше, смещая во времени строб на компараторе, построить временную характеристику импульса в стробоскопе. Сложность скорее всего в другом, как сделать качественный преобразователь ток-напряжение, на ОУ AD8000 с частотой 1.5ГГц время нарастания в лучшем случае будет порядка 233 пс и соизмерима с длительностью вашего импульса. Можно также попробовать использовать схему выборки с диодным мостом, входной сигнал коммутировать через диодный мост парафазным стробсигналом на небольшую емкость порядка нескольких пФ и затем обрабатывать обычным АЦП.

[sifadin]

Не знаю чего это стоит, но меня давно мучает такая мысль
А если этим импульсом возбудить несколько кварцевых осциляторов три например
например 10МГц 50 и 100
У них узкая полоса и все стабильно

В зависимости от ширины импульса изменяется наклон спектра
Возникнут переходные процессы, оцифровав которые, измерив их мощность, можно получить наклон спектра
А через него и длительность

В принципе подойдут наверное и обычные полосовые фильтры, но у них хуже со стабильностью

[VNS]

1. ...Необходимо остлеживать относильное изменение интенсивности лазерного излучения при внешних возействиях.
2. ...Излучение импульсное, длина импульса - сотни пикосекунд, период - сотни миллисекунд. Номинальная мощность высока, но может быть приведена к необходимой оптическими фильтрами.
3. ...Предполагаю использовать для этого pin-фотодиод с емкостью порядка единиц пикофарад.
4. ...Далее - преобразователь ток-напряжение на быстром операционном усилителе (макетировал на AD8000, предварительно получается что-то).

1. Если относительное, то должна быть дифференциальная схема измерения. На один канал подаётся импульс эталонной интенсивности, а второй измеряет контролируемый сигнал. Оба сигнала должны быть отличаться только интенсивностью, но не формой или продолжительностью.
2. Для получения максимальной ширины пропускания входной цепи необходимо использовать рабочую точку фотоприёмника с возможно низким внутренним сопротивлением.
3. Два фотодиода.
4. Нужен широкополосный дифференциальный усилитель тока.
На выходе усилителя получите импульсы тока пропорциональные разности амплитуд эталонного и входного импульсов.

[Tanya]

Если период относительно большой, то можно нарочно испортить фотодиод конденсатором (+ резистор). Тогда импульс размажется (до сотен микросекунд или больше) и его легко будет проинтегрировать интегратором на медленном малошумящем ОУ. С ключиком сброса.

[DmitrijProF]

посмотрите схемотехнику гамма- рентген- спектрометров...

Спасибо за наводку, ищу. Пока плохо получается, правда: в тупую схемы не гуглятся, но я уверен, что что-то найду.

...может тупо мерять тепло - и смотреть куда оно плывет- я так понял что вам не нужно N импульс относительно N+n мерять?

Да, так и нужно. Я рассматривал предварительно тепловой метод, но так как на тот момент вообще не имел никакого опыта обращения с лазерами, фотодиодный подход показался ближе и роднее. Постараюсь выжать из него все, оставив тепловые головки как последний шанс. Спасибо.

Поставьте что-нибудь класса ФД-7 с большим окном. В предположении, что длительность импульса постоянна, энергия его будет пропорциональна амплитуде. А энергию Вам даст интеграл от импульса с фотодиода. При этом там уже никаких пикосекунд не будет, фронт будет десяток наносекунд, спад и того больше. Так что собирайте интегратор. Усилитель на входе не нужен - амплитуда при прямом лазерном импульсе там будет и так большая.

У таких фотодиодов большая емкость. Она будет медленно заряжаться во время импульса и медленно разряжаться после него. Если фотодиод не выдаст кучу ампер, амплитуда выходного импульса напряжения будет измеряться микровольтами, в лучшем случае - единицами милливольт. Интегрировать это сложно по причине шумов в реальной схеме.
Если есть возможность, поясните, что не так: я действительно не очень хорошо разбираюсь в теме.

1. ... Оцифровка компаратором с защелкой на выходе скорее будет наиболее компактным и недорогим решением, можно даже пойти дальше, смещая во времени строб на компараторе, построить временную характеристику импульса в стробоскопе.
2. ... Сложность скорее всего в другом, как сделать качественный преобразователь ток-напряжение, на ОУ AD8000 с частотой 1.5ГГц время нарастания в лучшем случае будет порядка 233 пс и соизмерима с длительностью вашего импульса.
3. ... Можно также попробовать использовать схему выборки с диодным мостом, входной сигнал коммутировать через диодный мост парафазным стробсигналом на небольшую емкость порядка нескольких пФ и затем обрабатывать обычным АЦП.

1. Можно, хотя это будет долгое такое стробоскопирование: несколько импульсов в секунду дадут возможность получать характеристику одного состояния за десятки секунд, а это все-таки много. Но идея хорошая, особенно для отладки и настройки.
2. Работать будет, хотя и далеко от оптимального. Амплитуда будет меньше, погрешности больше. Но я пока не придумал ничего лучше.
3. Пока плохо понял, надо порисовать и осознать.
Спасибо.

А если этим импульсом возбудить несколько кварцевых осциляторов три например
например 10МГц 50 и 100
У них узкая полоса и все стабильно
В зависимости от ширины импульса изменяется наклон спектра
Возникнут переходные процессы, оцифровав которые, измерив их мощность, можно получить наклон спектра
А через него и длительность
В принципе подойдут наверное и обычные полосовые фильтры, но у них хуже со стабильностью

Интересная идея. Но в моем случае, видимо, не подойдет: длина принимаемых импельсов у меня одинакова, меняется мощность.
Хотя для других задач может сработать, помакетирую, когда время будет. Спасибо.

... Если относительное, то должна быть дифференциальная схема измерения. На один канал подаётся импульс эталонной интенсивности, а второй измеряет контролируемый сигнал. Оба сигнала должны быть отличаться только интенсивностью, но не формой или продолжительностью.
...На выходе усилителя получите импульсы тока пропорциональные разности амплитуд эталонного и входного импульсов.

Я имел ввиду изменение интенсивности излучения в одном состоянии системы относительно другого: подвинули зеркала, фильтры - измерили, подвинули ещё - измерили.
Если я правильно Вас понял, предложенный метод мне не подойдет. Но для повышения грамотности я попробую в нем разобраться подробнее. Быть может, натолкнет на идею.
Спасибо.

Если период относительно большой, то можно нарочно испортить фотодиод конденсатором (+ резистор). Тогда импульс размажется (до сотен микросекунд или больше) и его легко будет проинтегрировать интегратором на медленном малошумящем ОУ. С ключиком сброса.

Амплитуда выходит слишком мальнькой. Видимо, ОУ должен быть супермалошумящим. Сначала я так и планировал сделать, закладывая в систему фотодиод с большой площадкой и емкостью около 4000 пФ, но ещё на этапе моделирования в мультисиме начали закрадываться подозрения, что что-то не так. Поделитесь, если у Вас есть идеи, как собрать действительно малошумящий интегратор, я буду искренне рад. В любом случае спасибо!

Сообщение отредактировал DmitrijProF - Sep 15 2014, 08:43

[Tanya]

Амплитуда выходит слишком мальнькой.

Непонятно, о какой амплитуде Вы говорите.
Кванты света порождают электроны, которые переносятся в конденсатор интегратора. Если фотонов (электронов) мало, то тут ничего нельзя сделать.

[DmitrijProF]

Непонятно, о какой амплитуде Вы говорите. Кванты света порождают электроны, которые переносятся в конденсатор интегратора. Если фотонов (электронов) мало, то тут ничего нельзя сделать.

Вероятно, я просто не переключился с одной идеи на другую.
Я имел в виду следующее. Если взять фотодиод с большой емкостью, то электроны, пораждаемые квантами света, сначала будут заряжать эту емкость. По окончании импульса емкость будет медленно разряжаться. При этом амплитуда напряжения, которую можно получить на преобразователе ток-напряжение, будет совсем небольшой. Я говорил о ней.
При этом я совершенно не подумал об интеграторе заряда. Теперь попробую порисовать и подумать.
Спасибо!

Сообщение отредактировал DmitrijProF - Sep 15 2014, 09:02

[sifadin]

Еще одна бредовая идея
Если вместо фотодиода использовать ПЗС
И дальше уже ацп и ЦОС
Или это ничем не лучше фотодиода

[DmitrijProF]

Еще одна бредовая идея
Если вместо фотодиода использовать ПЗС
И дальше уже ацп и ЦОС
Или это ничем не лучше фотодиода

Насколько я знаю, таки ничем не лучше, плюс свои грабли. Но я могу ошибаться.
У меня первоначально было искушение использовать для этой задачи матрицу ПЗС с её системой обработки, уже заточенную и проверенную с этим лазером: она используется для других задач в той же системе. Но такая сказка разбилась в дребезги о габариты сборки. Одно дело - маленькая платка с smd-компонентами и pin-диодом, совсем другое - целая матрица со своим большим черным ящиком и таки та же платка с мк для обработки.

[sifadin]

Насколько я знаю, таки ничем не лучше, плюс свои грабли. Но я могу ошибаться.
У меня первоначально было искушение использовать для этой задачи матрицу ПЗС с её системой обработки, уже заточенную и проверенную с этим лазером: она используется для других задач в той же системе. Но такая сказка разбилась в дребезги о габариты сборки. Одно дело - маленькая платка с smd-компонентами и pin-диодом, совсем другое - целая матрица со своим большим черным ящиком и таки та же платка с мк для обработки.

В случае с ПЗС как-бы интегрирование во времени происходит оптически
У лучей после линзы разная длина, в разные части ПЗС импульс придет с разными задержками
Кстати можно попробовать собрать какую-нибудь хреновину из системы зеркал или призм перед фотодиодом
Чтобы многократно отраженный импульс приходил с разными задержками и растягивался
Набор пластин - будут переотражения от граней

[DmitrijProF]

1. ... В случае с ПЗС как-бы интегрирование во времени происходит оптически
2. ... Кстати можно попробовать собрать какую-нибудь хреновину из системы зеркал или призм перед фотодиодом

1. Все равно она большая и дорогая. Места в системе для неё уже не найти, я пробовал. Хотя да, вариант "на самый крайний случай".
2. Это было бы круто. Но чрезвычайно громоздко. Плюс, сложность системы переходит в новую плоскость: к магии электронной добавляется магия оптическая. Для экспериментальных игр отлично подойдет, а практического применения я как-то побаиваюсь.

[Tarbal]

Тепловые датчики называются болометрами и PIR детекторами. Это на случай если захотите измерять тепловую энергию.
И то и другое устроено дифференциально. Правда те приборы, что мне довелось видеть позволяют освещать только один из элементов.

Сообщение отредактировал Tarbal - Sep 18 2014, 20:58

[SNGNL]

Хм, похоже Вам тут нагадали все существующие оптические методы измерений коротких лазерных импульсов.
Конечно, их реализация отличается от догадок, но все они подходят под указанные категории:

1. Все равно она большая и дорогая.
2. Это было бы круто. Но чрезвычайно громоздко.

Возможно, в Вашем случае, проще всего использовать подходящий (стабильность, полоса возбуждения, время послесвечения) люминесцентный (благо их вокруг предостаточно) экран или накладку перед фотоприемником. Вероятно, потребуется калибровка.