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!

[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