激光功率计的设计报告

激光功率计的设计专业班级：光电信息工程120X

任课老师：赵茗

姓名：XXX

学号: X

1、概述

激光功率计从传感器（将光能转变为电信号的器件）分，有下列三种：

1、量热方式：其优点是波长范围宽，适合大功率测量，缺

点是灵敏度较低，时间常数大。

2、光电方式：其优点是灵敏度很高，适合微小功率测量，

时间常数小，缺点是波长范围窄，灵敏度-波长特性变

化较大。

3、热释电方式，其优点是波长范围宽，灵敏度高，时间常

数很小，缺点是只限于测量单脉冲激光功率，需要100

兆欧左右的高输入阻抗的特殊放大器。

2、原理

激光功率计主要用于测量激光信号的强弱。目前测量激光功率的方法有两种，一种是热转换方式，一种是半导体光电检测方式。前一种的光谱响应曲线平坦、准确度高，但是成本高，响应时间长。用半导体光电检测可以得到比较高的探测灵敏度和响应速度。

我选择设计一个半导体光电方式检测的激光功率计。

原理图：

具体电路原理框图：

光电池用于接收光信号并将光信号转换为电信号，而其工作原理不做具体详述。而此时电信号比较微弱，即所对应的电压值较小，然后通过放大电路将信号进行放大以便于感应测量。AD转换电路的功能为将电流由交流变为直流。再后面是读数显示模块，我在此处整合到万用表，即用万用表来代替数显的部分。

3、设计电路图

根据实际应的激光功率计的电路框图可以找到适当的电子元件进行搭建实验，具体的元件选型和其功能如下图所示：

硅光电池BPW34：具有高光电探测率、比较大的光敏面

积、高光电灵敏度，快速响应时间、体积小等特点。

（1）大辐射敏感区（A=7.5平方毫米）

（2）广角半灵敏度ϕ=±65度

（3）高光敏感性

（4）响应时间短，能快速响应

（5）小结电容

（6）适用于可见光和近红外辐射

运算放大器 CA3140：常用的高输入阻抗运算放大器。其为美国无线电公司研制开发的一种BiMOS高电压的运算放大器在一片集成芯片上，该CA3140A和CA3140 BiMOS运算放大器功能保护MOSFET的栅极（PMOS上）中的晶体管输入电路提供非常高的输入阻抗，极低输入电流和高速性能。操作电源电压从4V至36V（无论单或双电源),它结合了压电PMOS晶体管工艺和高电压双授晶体管的优点.(互补对称金属氧化物半导体)卓越性能的运放。

数字万用表：是电学实验室必备的一种测量仪器，内部有高精度的数模转化器和显示器，其特性足够我们搭建激光功率计性能的需要。

仿真电路图：

硅光电池BPW34 光谱相应曲线：

CA3140 引脚定义图

三、参数

上图实际上是一个I- V(电流-电压)转换器。根据硅光电池的工作原理可知，在线性测量中光电池必须工作在短路状态下。

由理想运算放大器的特点可知：

图中光电池工作在短路状态下， If = Ip = Isc = φe( λ) Se( λ) Isc为光电池的短路电流 ,

Ip 为光电池的光生电流 ,

Se( λ)为光谱灵敏度 ,

φ( λ)为入射光功率。

运算放大器的输出可表示为 :

（1）

关于数显部分的万用表：

制作mW级光功率计,必须考虑反馈电阻Rf的阻值选择。已知硅光电池对于波长为 640nm,入射功率1mW的光产生的电流为0.567738mA。若要要求入射光功率为1mW的情况下运算放大器的输出为1V,则根据式(1)可以计算得到反馈电阻的取值为1761.38Ω, 因此用电压表测量I-V转换器的输出电压,就可以知道光的功率。比如电压大小为2V时,对应的640nm的光的功率为2mW。

制作W级光功率计,必须考虑反馈电阻Rf的阻值选择。已知硅光电池对于波长为 640nm,入射功率1W的光产生的电流为0.567738A。若要要求入射光功率为1W的情况下运算放大器的输出为1V,则根据式(1)可以计算得到反馈电阻的取值为

1.76138Ω, 因此用电压表测量I-V转换器的输出电压,就可以知道光的功率。比如电压大小为2V时,对应的640nm的光的功率为2W。

下表为对应不同的波长应该选取的电阻值：

wav S(λ)Rf(W)Rf(mW)

400.0580.04325223.120623120.6

409.9030.05669717.637817637.8

419.9120.07552313.24113241

429.920.09508310.517110517.1

439.9270.1158678.630598630.59

459.9430.1557216.421746421.74

469.950.1777285.626585626.58

479.9570.2012024.970134970.13

489.9640.2214964.514754514.75

499.970.246682 4.05384053.8

509.9760.2716243.681563681.56

520.1470.2965663.371933371.93

529.9890.3215083.110343110.34

539.9960.3422912.921492921.49

560.0090.3904632.561062561.06

570.0160.4139372.415832415.83

580.0240.4339872.304222304.22

590.030.4574612.185982185.98

600.0370.480692.080342080.34

610.0440.5034311.986371986.37

620.0510.5264161.899641899.64