劉鵬，王書朋，李玲，孫博，趙海麗

（1.長春理工大學(xué) 空間光電技術(shù)研究所，長春 130022；2.長春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長春 130022；3.長春新產(chǎn)業(yè)光電技術(shù)有限公司，長春 130103）

基于PIN型硅光電二極管的激光偏振態(tài)探頭

劉鵬1，王書朋2，李玲2，孫博3，趙海麗2

（1.長春理工大學(xué) 空間光電技術(shù)研究所，長春 130022；2.長春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長春 130022；3.長春新產(chǎn)業(yè)光電技術(shù)有限公司，長春 130103）

綜合考慮了PIN型硅光電二極管的高靈敏性、高穩(wěn)定性、高響應(yīng)速度、小體積及低成本的優(yōu)點，主要研究了基于PIN型硅光電二極管的光強探測電路在激光偏振態(tài)測量系統(tǒng)中的應(yīng)用。采用Stockes參量測量的LCVR調(diào)制法，將光強探測電路和光學(xué)檢偏系統(tǒng)封裝在一起構(gòu)成激光偏振態(tài)測量探頭，探頭以STM32F103為控制器通過USB協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)在上位機與控制器之間的傳輸。利用該探頭完成808nm激光的偏振態(tài)測量，實驗結(jié)果顯示該偏振態(tài)測量探頭具有較高的測量精度，且該偏振態(tài)測量探頭具有結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、體積小、人機交互便捷、操作簡單的特點。

PIN型硅光電二極管；Stockes參量；偏振態(tài)；探頭

PIN型硅光電二極管具有高靈敏性、高穩(wěn)定性、高響應(yīng)速度和低容性，被廣泛應(yīng)用于光電檢測器件和其他測量分析性系統(tǒng)中。

激光偏振態(tài)測量系統(tǒng)，主要完成斯托克斯參量的相關(guān)測量和計算。而斯托克斯各參量是和光強相關(guān)的量，基于硅光電二極管的光強采集電路主要用來對通過光學(xué)檢偏系統(tǒng)的計算分析得出該束激光所攜帶的偏振信息，光強采集電路的靈敏性、抗噪性及轉(zhuǎn)換精度直接關(guān)系到所測量激光偏振信息的質(zhì)量。

1 光波的偏振態(tài)描述

光波是一種頻率很高的橫向電磁波，它是具有方向的矢量波，光的偏振現(xiàn)象其實質(zhì)就是光矢量在時間和空間中的變化，是光具有矢量性的表現(xiàn)。光沿z軸方向傳播時，電場只在x、y方向有意義。平面波方程可以表示為:

式中，τ=ωt-kz，它在x，y，z三個方向的分量分別為:

經(jīng)過化簡消去τ后得:

式中，δ=δ2-δ1，式（3）的行列式系數(shù)為:

由此可知電場矢量頂端軌跡是一個橢圓，可以認為，每一時刻，沿光波傳輸方向，空間各點電場矢量末端在x，y平面的投影是一橢圓［1］，光學(xué)上稱該種電磁波為橢圓偏振光，一般光學(xué)中討論到的偏振情況主要有線偏振和圓偏振，這兩種偏振情況是橢圓偏振的特殊個例。

當(dāng)式（3）中δ=δ2-δ1=mπ(m=0,±1,…)時橢圓就轉(zhuǎn)化成為直線，即線偏振。其表示式為:

若

因為斯托克斯參量可以描述完全非偏振光、部分偏振光和完全偏振光。因此，目前激光偏振態(tài)的檢測大多是基于斯托克斯參量的四個元素計算來完成的，它可以表示為:

式中，S0與入射的總光強相關(guān)，且S0=1；S1是線偏振在0。，90。方向的光強差值，S2是線偏振在45°，135°方向的光強差，S3是左旋和右旋圓偏振光強差。

2 Stockes參量測量的LCVR調(diào)制法測量入射光偏振態(tài)

Stockes參量測量的LCVR調(diào)制法檢測激光偏振態(tài)的原理如圖1所示。LCVR是基于液晶的電控雙折射特性制成的光學(xué)器件［3］，變化LCVR兩端的電壓即可控制光軸的指向，實現(xiàn)透射激光的延遲相位調(diào)節(jié)。激光光源發(fā)射一束激光，依次通過兩片規(guī)格相同的液晶可變相位延遲器LCVR1和LCVR2，調(diào)整LCVR1和LCVR2的狀態(tài)，使LCVR1的光軸垂直于分光棱鏡，LCVR2的光軸和分光棱鏡成45°，出射光再經(jīng)過分光棱鏡就分解為水平線偏振光和垂直線偏振光。由光強探測電路探測出兩路光強值，根據(jù)Stockes參量計算公式即可得到該束激光的偏振信息。

（1）計算Stockes參量

Stockes各參量的計算公式為:

其中，IT、IR為初始探測的兩路光強值，為改變LCVR相位延遲后的兩路出射光強值。

（2）待測光的偏振態(tài)表征

入射光偏振態(tài)的計算公式:

（3）待測光的偏振度計算

入射光偏振度計算公式:

測量方法:測量S1時控制器通過D/A給液晶相位可變延遲器上電，調(diào)節(jié)LCVR1的相位延遲量為0，調(diào)節(jié)LCVR2的相位延遲量在0和λ/2間變化；同理，測量S2時調(diào)節(jié)LCVR1相位延遲量為λ/4，調(diào)節(jié)LCVR2的相位延遲量在λ/4和-λ/4間變化；同理，測量S3時調(diào)節(jié)LCVR1相位延遲量為0，調(diào)節(jié)LCVR2的相位延遲量在λ/4和-λ/4間變化，分別探測兩路光強值。這大大提高了其響應(yīng)速度。

圖1 Stockes參量測量的LCVR調(diào)制法檢測激光偏振態(tài)原理圖

鑒于實驗中所使用的激光器是808nm波長，參考PIN型硅光電二極管的光譜曲線及響應(yīng)速度，實驗采用的是S1223系列的S1223-01，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

3 基于PIN型硅光電二極管的光強采集電路

3.1 PIN型硅光電二極管簡介及選型

光學(xué)檢偏系統(tǒng)限制了光強探測器件的大小，PIN型硅光電二極管體積較小，便于集成；而且PIN型硅光電二極管有諸多優(yōu)點:頻帶寬、靈敏度高、線性輸出范圍寬、噪聲低；滿足同等實驗條件的情況下，相較于CCD等光電探測器件，PIN型硅光電二極管的成本較低。

PIN型硅光電二極管其實是一種反向偏置的半導(dǎo)體二極管，在P型半導(dǎo)體之間夾雜一層本征半導(dǎo)體即高阻區(qū)I。由于I區(qū)很厚，入射光很容易被材料內(nèi)部吸收，衍生出大量電子-空穴對，因而顯著提高了光-電轉(zhuǎn)換效率。另外，位于兩側(cè)的P區(qū)和N區(qū)很薄，吸收的入射光較少，相對來說I區(qū)占據(jù)大部分耗盡層，因而光生電流中的漂移分量占較大比重，

表1 S1223-01的相關(guān)參數(shù)

3.2 光強探測電路的設(shè)計

當(dāng)激光照射PIN型硅光電二極管時，會產(chǎn)生與光照度成比例的微弱電流。其中，暗電流及背景光引起的噪聲電流約10nA～80nA（0～10Hz），這部分噪聲可以利用濾波器濾除。另外，還要防止運算放大器出現(xiàn)自激震蕩影響探測精度，可采用穩(wěn)壓電源給集成運算放大器供電，并在穩(wěn)壓電源的輸入端和輸出端分別加一合適的補償電容［2］。

圖2 一路光強探測電路設(shè)計

一路光強探測電路如圖2所示。該電路分為PIN光電二極管前置放大電路和A/D變換兩部分，PIN光電二級管的前置放大電路由四部分組成，第I部分為I-V變換電路，反饋電阻Rf與電容Cf組成反饋網(wǎng)絡(luò)反饋補償網(wǎng)絡(luò)，Cf使電路更加穩(wěn)定避免出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象；R1作為補償電阻，用來降低運放輸入電流引起的偏置效應(yīng)，同時并聯(lián)C1消除R1引起的噪聲干擾。第II部分為無源二階RC濾波電路，濾除輸出電信號的噪聲干擾。第III部分為主放大電路，反饋電阻為數(shù)字電位器ISL23328，可以根據(jù)需要控制放大倍數(shù)，控制器通過IIC控制ISL23328工作，每個ISL23328封裝了兩個數(shù)字電位器，并且每個電位器有128個電阻抽頭，阻值最大為10kΩ。RLn是低端，RWn是滑動端，控制器對ISL23328進行寫操作，根據(jù)寫入數(shù)據(jù)大小配置RLn和RWn之間的阻值大小。第IV部分為跟隨電路進行阻抗匹配。前置放大電路采用低偏置、高速率的四運OP467，減少了運放的噪聲干擾。最后將經(jīng)過前置放大電路處理的電信號接入A/D轉(zhuǎn)換器AD7606-4，AD7606是一款高分辨率、高采樣率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，探頭包含兩路光強探測電路，因此AD7607-4即可滿足雙通道A/D轉(zhuǎn)換的要求，且該轉(zhuǎn)換器內(nèi)部集成了模擬輸入箝位保護、模擬輸入阻抗緩沖器、二階抗混疊模擬濾波器等功能，保證了光強探測的精度及實時性。

4 整體設(shè)計及實驗測量

設(shè)計了如圖3所示的激光偏振態(tài)探頭，利用該探頭對波長為808nm的激光器進行偏振態(tài)檢測，實驗中對LCVR的控制電壓進行了校準(zhǔn)，確定了LCVR相位延遲量為0、λ/4、-λ/4及λ/2時的上電電壓如表2所示，進行多次試驗取平均值作為試驗結(jié)果，所得數(shù)據(jù)如表3所示，偏振光的理論值如表4所示。

圖3 激光偏振態(tài)探頭

表2 相位延遲器上電電壓

表3 實驗測試結(jié)果

表4 偏振光的斯托克斯各參量理論值

對照偏振光的斯托克斯參量理論值，我們?nèi)y量所得結(jié)果的最大誤差作為系統(tǒng)誤差，可得系統(tǒng)誤差為1.11%。

5 結(jié)論

探頭采用美國Meadowlark公司生產(chǎn)的LCVR，它自帶補償功能，具有650～950nm寬波長響應(yīng)范圍，調(diào)制電壓為0～20V真有效值，通過實驗數(shù)據(jù)可知該激光偏振態(tài)測量探頭可以精確的測量出入射激光的偏振信息。而且探頭是集成化的設(shè)計，實驗操作時光路搭建非常容易，探頭的控制與數(shù)據(jù)顯示均可在上位機上完成，人機交互非常友好。

［1］ 廖延彪.偏振光學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，2003: 231-262.［2］ 趙海麗，王曉曼，姜會林，等.基于液晶的激光偏振測量系統(tǒng)研究［J］.儀器儀表學(xué)報，2010，31（2）:416-419.

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［5］ 李遠明，陳文濤.微弱光信號前置放大電路設(shè)計［J］.電子元器件應(yīng)用，2007，9（8）:51-53.

［6］ 張立媛，臧景峰，劉鵬，等.一種空間偏振目標(biāo)制導(dǎo)方法研究［J］.長春理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2015，32（1）:65-69.

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The Laser Polarization State Probe Based on PIN Type Silicon Photodiode

LIU Peng1，WANG Shupeng2，LI Ling2，SUN Bo3，ZHAO Haili2
（1.The Institute of Space Optics and Electronics，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.School of Electronic information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；3.Changchun Company of New Industry Photoelectric Technology，Changchun 130103）

PIN type silicon photodiode has the advantages of high sensitivity，high stability，high response speed，small volume and low cost.This research mainly studied the application of the light intensity detection circuit based on the PIN type silicon photodiode in the laser polarization state measurement system And the study used the LCVR modulation method to measure the Stockes parameters.The light intensity detection circuit and the optical detection system are packaged together to form a laser polarization state measuring probe.the probe with STM32F103 as the controller，through the USB protocol to achieve data transmission between the host computer and the controller.Using the probe to complete the measurement of the polarization state of 809nm laser，the experimental results show that the accuracy of the measurement circuit of the light intensity is maintained at 0%.The polarization state measuring probe has the advantages of simple structure，high measuring accuracy，small volume，convenient human computer interactive operation and simple manipulation.

PIN type silicon photodiode；Stockes parameter；polarization state；probe

TN247

A

1672-9870（2016）05-0009-04

2016-08-16

吉林省科技廳攻關(guān)項目（20140204035GX）

劉鵬（1982.6-），男，博士，講師，E-mail:liup@cust.edu.cn