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激光能量计(终) .doc

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激光能量计(终) .doc

编号本科生毕业设计激光能量计PowerMeter学生姓名李雨航专业电子信息工程专业学号20040411509指导教师刘树昌学院电子信息工程学院2008年6月长春理工大学毕业设计摘要由于激光的能量大,强度高,在进行强激光能量测量比较困难的情况下,通过市场调查对比,吸取了其他激光能量计的优点,设计了这个方便实用的激光能量计。本设计采用光电二极管探头,并且应用了大家都熟悉的A/D转换和AVR单片机等器件。实现方法是以光电二极管探头作为传感器,将光信号转换为电信号后,电流信号经电荷积分器得到与输入光脉冲能量成正比的电压信号,通过能量量值校准完成能量的测量,并由虚拟仪器编写上位机进行显示。关键词能量测量光电二极管电荷积分器虚拟仪器ABSTRACTAsthelaserenergy,highintensity,highpowerlaserenergymeasurementindifficultcircumstances,throughamarketsurveycontrast,theotherlessonsoftheadvantagesoflaserenergy,thisconvenientandpracticaldesignofthelaserenergydollars.Thisdesignusesphotodiodeprobe,andweareallfamiliarwiththeapplicationoftheA/DconverterandAVRmicrocontroller,andotherdevices.Implementationoftheprobeasaphotodiodesensors,opticalsignalwillbeconvertedtoelectricalsignals,thecurrentsignalreceivedbythechargeintegratorandenterthelightpulseenergyisproportionaltothevoltagesignal,throughtheenergymoneytocompletethecalibrationofenergymeasurementbytheVirtualPCequipmenttopreparefordisplay.Keywordenergymeasurementphotodiodechargeintegratorvirtualinstrument长春理工大学毕业设计I目录第一章引言..............................................11.1本课题研究的意义..........................................11.2本课题的研究现状及内容...................................2第二章激光能量计设备元件..................................32.1光电探测模块.............................................32.1.1光电二极管介绍.......................................32.1.2放大器...............................................72.2数据采集模块..............................................82.2.1A/D转换芯片..........................................82.2.2ICL7135工作原理,转换时序及引脚功能..................82.2.3AVR单片机的介绍....................................112.3虚拟仪器的上位机显示.....................................13第三章系统硬件电路设计.................................163.1系统总体框图.............................................163.2光电探测模块.............................................163.2.1光电转换部分.........................................163.2.2电荷积分器...........................................173.3数据采集模块.............................................183.4硬件原理图...............................................19第四章系统的软件设计.....................................214.1主控单片机软件设计.......................................214.2上位机软件虚拟仪器开发平台LABVIEW设计..................224.2.1框图程序.............................................244.2.2前面板设计...........................................22第五章结论.............................................27参考文献................................................28致谢................................................30附录1ICCAVR软件....................................31附录2AVRSTUDIO4软件...............................36长春理工大学毕业设计1第一章引言1.1本课题研究的意义激光作为一种新技术在我国工农业生产、国防建设、科学研究及医疗卫生等领域都得到广泛的应用1。如工业上的激光加工打孔、焊接、切割、热处理等农业上的激光育种国防工程上的激光雷达、激光通讯科研上的激光全息、激光同位素分离、激光核聚变医疗卫生上的激光诊断、激光手术、激光治疗等等。要研究激光和应用激光就必须能够对激光的特性参数进行准确测量。对激光器主要参数的计量测试是激光技术发展的一个重要方面。对一台激光器来说,人们最关心的是有没有激光能量,有多少激光能量。比如在激光治疗中,就有激光有效剂量、无效剂量及危害破坏剂量的阑值问题在激光育种试验中,就有选择增产效果好和抗病虫害能力强的最佳激光剂量间题在激光防护工作中,为了确保人身安全,特别要搞清损伤人眼的激光阑值问题在激光核聚变中,需要多少能量才能打出中子、才能实现热核反应等等。这些都需要精确测量激光能量,没有精确测量激光能量就达不到研究的预期目的。因此,对激光能量的准确测量显得愈发重要2。随着激光新技术的不断发展,测量激光能量的工具仪器也不断改进和更新。六十年代初,激光一出现,人们曾用透镜聚焦激光束能打穿多少刀片来估算激光能量,这是非常粗略测定激光能量的方法。后来采用石墨作成碳斗能量计来接收激光能量,用检流计来显示激光能量,这也不是精确测定激光能量的方法。特别对高功率激光来说,由于它的功率密度很高,采用石墨做成的碳斗能量计其表面很容易被强激光打坏。还有一些激光脉冲能量测试常用的方法是使用能量卡计,其工作原理是将光能转换成热能,通过测量热量带来的温度变化而实现对光能量的测量。可是当激光脉冲能量很低时,温度变化极小,且受环境影响很大,采用这种方法也无法实现准确测量。对大多数传感器而言,由于可能受到损伤而不能直接测量高能激光光束,因此需要获得低功率样品光束。另外,为满足激光实时监测的要求,也需要对光束进行取样。光束取样不仅需要保证样品光束强度低于监测传感器的损坏阈值,同时还需要保证样品光束在几何形状、波前、偏振态、光谱特性和时间特性等方面的保真度。典型的取样技术包括部分透射/反射式取样技术和高功率反射镜漫散射取样技术。部分透射/反射式取样技术在激光光路中设置高透射反长春理工大学毕业设计2射比或高反射透射比的光学元件,经取样元件,从主光束中分出极少部分光,测量取样光的能量和功率分布。在测量高能激光强度分布时,可采用漫反射屏。激光打在漫反射屏上,成像探测器接收漫反射光。长期以来,国内对脉冲激光器能量测量,由于其能量计无采样、记录装置,所测量的激光器能量、脉宽、前沿、重复频率等重要数据指标,一直是靠人眼读数方式完成,其智能化程度低、测量误差大、人为干扰因素多、获取数据单一,不能进行数据及图形处理,从而难以客观、准确、直观地反映激光器的制造水平,特别是对于重复频率大于20Hz的高重频激光器,国内尚无相应检测仪器能测量其每个脉冲能量。因此,研究开发智能化、自动化程度高的激光能量密度测试系统显得非常迫切。1.2本课题的研究现状及内容对于激光能量的测量,针对不同的测量目的,可分为直接测量与间接测量法。直接测量法选用全吸收型探测器,激光全部照射进探测器中,由于激光能量很高,常规的光电法难以直接应用,因此通常采用量热法进行直接测量。如美国白沙靶场在连续高能激光器光束诊断系统中,配套了分别用于测量功率和能量的2种量热计系统,法国LNE国家实验室建立了测量25kW的二氧化碳工业激光器功率的热交换式量热计系统,我国的神光II装置中,为测量其基频、二倍频和三倍频激光输出功率,研制了一种大口径全吸收激光能量计。这几种能量计让激光与吸收体充分作用,再用热电传感器测试吸收体的温升,从而得到吸收体的热量值,即激光能量值。以上几种量热计将激光束全部接收,测量精度较高,但不能作实时监测用。如果在高能激光使用的同时进行能量测量,则需要采用光束取样技术取样部分激光用作间接测量。间接测量中,能量计通常以光电式探测器或半导体光电二极管为传感器件的光电式探测器,光信号转换为电信号后,电流信号经电荷积分器得到与输入光脉冲能量成正比的电压信号,从而完成能量的测量。目前市场上出售的能量计大多是这种能量计,因功能多样化、智能化程度高,被广泛地应用在激光通信、激光加工、激光测试等领域2。目前,在激光通信系统研制过程中,针对遇到的实际问题激光性能参数测试时所需要的测试仪器大量依靠进口,价格昂贵、功能单一、接口不方便,因此,研究开发智能化的激光能量测量仪对于提高激光产品研制、通信系统性能有着重要意义。本文设计了一种激光能量测量仪,该系统用一个光电二极管探头接收,将光能转化为电能,经调理电路调理后得到一个与激光能量成正比的电压信号,然后将此电压信号与标准激光能量计对比定标,就可以得到测量的激光能量值了。长春理工大学毕业设计3第二章激光能量计器件选择2.1光电探测模块激光能量计光电探测模块由聚光透镜、光电二极管及调理模块组成。待测光经过聚光透镜后,光束会聚到光电探测器上,光电探测器将光信号转换为电信号后经调理电路传送至数据采集模块进行数据处理与显示。2.1.1光电二极管介绍激光能量计的探头根据原理不同可以分为热电堆式探测器、热释电式探测器、光电式探测器及半导体光电二极管式探测器几种。常用的能量检测法分为光热法及光电法。光热法以热电堆或热释电材料为传感器件的吸收型探测器,即让激光与吸收体充分作用,再用热电传感器测试吸收体的温升,从而得到吸收体的热量值,即激光能量值。光电法以光电式探测器或半导体光电二极管为传感器件的光电式探测器,光信号转换为电信号后,电信号经电荷积分器得到与输入光脉冲能量成正比的电压信号,从而完成能量的测量。由于光电二极管测量的动态范围大,测量速度快,能反映信号的包络变化,价格便宜,因此被广泛应用于光信号检测中。因此,系统中的光电探测器选取PIN光电二极管。光敏二极管是一种利用PN结单向导电性的结型光电信息转换器件。光敏二极管工作时一般加反向偏压,目的是加一个方向与PN结内电场方向一致的外电场,这样光敏二极管的线性特性和频率特性将彻底改变善,光电流的输出仅受光照强弱变化的影响,与负载电阻的大小无关。光敏二极管体积小、灵敏度高、稳定性好、响应速度快、易于获得定向性、光谱响应在可见区和红外区8。考虑以上优点,本设计采用光敏二激光测量激光器的发射强度,某些激光器已将光敏二极管封装于其中。一、光敏二极管光电转换原理根据PN结反向特性可知,在一定反向电压范围内,反向电流很小且处于饱和状态。此时,如果无光照射PN结,则因本征激发产生的电子空穴对数量有限,反向饱和电流保持不变,在光敏二极管中称为暗电流。当有光照射PN结时,结内将产生附加的大量电子空穴对(称之为光生载流子),使流过PN结的电流随着光照强度的增加而剧增,此时的反向电流称为光电流。不同波长的光(蓝光、红光、红外光)在光敏二极管的不同区域被吸收形成光电流。被表面P型扩散层所吸收的主要是波长较短的兰光,在这一区域,因光照产生的光生载流子(电子),一旦漂移到耗尽层界面,就会在结电场作用下,被拉向N长春理工大学毕业设计4区,形成部分光电流彼长较长的红光,将透过P型层在耗尽层激发出电子空穴对,这些新生的电子和空穴载流子也会在结电场作用下,分别到达N区和P区,形成光电流。波长更长的红外光,将透过P型层和耗尽层,直接被N区吸收。在N区内因光照产生的光生载流子(空穴)一旦漂移到耗尽区界面,就会在结电场作用下被拉向P区,形成光电流。因此,光照射时,流过PN结的光电流应是三部分光电流之和3。二、光敏二极管特性(1)光照特性图21画出了光敏二极管的光电流I与照度L的特性曲线,从图上可以看出它的光照特性线形较好,适合于检测方面的应用8。图21光敏二极管的光照特性(2)光谱特性光谱特性决定于所用的材料,图22为硅和锗的光谱响应曲线,锗材料的最灵敏响应波长在1400015000埃之间,硅材料的最灵敏响应波长在80009000埃之间。对于激光器所发射激光波长的不同,可采用不同的材料8。图22光敏二极管的光敏特性

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