【正文】 在調(diào)試過(guò)程中通過(guò)第二套方案放大 50 倍之后的效果如圖 所示。圖 系 統(tǒng) 調(diào) 試 平 臺(tái) 實(shí) 物 圖 實(shí)驗(yàn)調(diào)試及分析 信號(hào)的濾波 激 光 光 電 探 測(cè) 器 是 由 激 光 器 發(fā) 出 的 頻 率 為 20kHz200kHz 的 激 光 信 號(hào) ， 我 將 調(diào) 試 中 采 集 激 光信 號(hào) 以 及 放 大 濾 波 環(huán) 節(jié) 的 結(jié) 果 記 錄 下 來(lái) 作 為 參 考 依 據(jù) ， 在 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 的 演 示 中 ， 由 于 沒(méi) 有 激 光 信 號(hào)的 發(fā) 射 裝 置 ， 所 以 需 要 通 過(guò) 信 號(hào) 發(fā) 生 器 模 擬 激 光 信 號(hào) 的 頻 率 、 輸 出 電 壓 ， 完 成 對(duì) 激 光 功 率 的 顯 示 ，因 為 激 光 信 號(hào) 的 輸 出 電 壓 和 顯 示 的 功 率 是 呈 線(xiàn) 性 的 關(guān) 系 ， 如 輸 入 1V 電 壓 ， 顯 示 功 率 為 1W。通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)完成了一個(gè)高效多能的光功率檢測(cè)顯示系統(tǒng)，達(dá)到了一個(gè)采集系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。且設(shè)定的報(bào)警系統(tǒng)將會(huì)啟動(dòng)，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，如果檢測(cè)到的功率值始終小于10W，那么數(shù)碼管上將會(huì)顯示檢測(cè)到的功率值。 軟件控制主程序課題通過(guò)軟件設(shè)置A/D0804的工作條件，同時(shí)完成對(duì)單片機(jī)的控制，將激光信號(hào)的電壓值轉(zhuǎn)化為功率值顯示在數(shù)碼管上，超出功率設(shè)定的上限值報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)。? 集成了非常全面的單片機(jī)支持，能夠完成 51 系列單片機(jī)及和 51 系列兼容的絕大部分類(lèi)型單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)和仿真。Keil Software公司推出的μVision3是一款可用于多種8051MCU的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)，該IDE同時(shí)也是PK51及其它開(kāi)發(fā)套件的一個(gè)重要組件。開(kāi)始數(shù)碼管顯示A/D 轉(zhuǎn)換功率檢測(cè)復(fù)位信號(hào)光功率檢測(cè)系統(tǒng)初始化功率10N Y 圖 整體流程圖系統(tǒng)初始化開(kāi)始時(shí)，單片機(jī)開(kāi)始工作，由光電探測(cè)器采集到的激光信號(hào)，通過(guò)系統(tǒng)的濾波電路，放大電路，峰值保持電路的作用輸出一個(gè)放大 50 倍的直流電壓信號(hào)，該直流信號(hào)通過(guò) A/D0804 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的作用，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，在進(jìn)行光功率檢測(cè)的過(guò)程中，如果功率值超過(guò) 10W，則功率檢測(cè)發(fā)出復(fù)位信號(hào)，單片機(jī)復(fù)位。在放大和峰值保持部分的電路供電分別需要+12V，以及+112V 的供電方式，我選用自制電源模塊來(lái)提供電源。脈沖光纖激光器光功率計(jì)的設(shè)計(jì)與研究15：圖 AD0804 管腳圖 顯示電路本課題采用三位一體 L E D 數(shù)碼管顯示所測(cè)距離值，數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)掃描顯示，段碼輸出端口為單片機(jī)的 P2 口，位碼輸出端口分別為單片機(jī)的 、 口,數(shù)碼管位驅(qū)運(yùn)用 PNP 三極管 S9012 三極管驅(qū)動(dòng)。它的主要電氣特性如下：l工作電壓：＋5V，即 VCC＝＋5V。模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，從啟動(dòng)到轉(zhuǎn)換結(jié)束 輸出數(shù)字量，需要一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間（100us） ，在這個(gè)時(shí)間內(nèi)模擬信號(hào)需要保持不變，否則轉(zhuǎn)換精度沒(méi)保證造成轉(zhuǎn)換誤差，為了避免這種誤差，在脈沖光纖激光器光功率計(jì)的設(shè)計(jì)與研究14A/D轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)將輸入信號(hào)的電平保持住，在轉(zhuǎn)換后又能跟蹤輸入信號(hào)的變化，所以峰值保持電路的功能就是跟蹤脈沖信號(hào)，直到輸入信號(hào)達(dá)到峰值，然后再進(jìn)入保持狀態(tài)，并保持輸入信號(hào)的峰值不變，直到復(fù)位，再回到跟蹤狀態(tài)。其中，由于對(duì)歸一化低通濾波器進(jìn)行阻容變換并應(yīng)用高通條件，即可得到所需高通濾波器，所以問(wèn)題歸結(jié)為設(shè)計(jì)合適的低通濾波器。（4）體積小、壽命長(zhǎng)、高可靠、工作電壓低等。阻抗值的大小決定于中間層。漂移運(yùn)動(dòng)的速度與電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，電場(chǎng)強(qiáng)度較低時(shí)，漂移速度正比于電場(chǎng)強(qiáng)度，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到某一值后，漂移速度不再變化。（4）響應(yīng)速度響應(yīng)速度是光電檢測(cè)器的另一個(gè)重要參數(shù)，通常用響應(yīng)時(shí)間（上升時(shí)間和下降時(shí)間），光電二極管在接收機(jī)中使用時(shí)通常由偏置電路與放大器相連，這樣檢測(cè)器的響應(yīng)特性必然與外電路相關(guān)。它定義為式 ())/( WAhveR?????R其中，P 0為入射到光電二極管上的光功率；Ip 為所產(chǎn)生的光電流。在外加反向偏置電壓作用下，I 層中形成很寬的耗盡層。當(dāng)光束入射到 PN 結(jié)上，且光子能量 hv 大于半導(dǎo)體材料的帶隙 Eg 時(shí)，價(jià)帶上的電子吸收光子能量躍遷到導(dǎo)帶上形成一個(gè)電子—空穴對(duì)。絕大部分的入射光在 I 層內(nèi)被吸收并產(chǎn)生大量的電子空穴對(duì)。經(jīng)過(guò)峰值保持后的直流信號(hào)，可以直接被 AD0804 數(shù)模轉(zhuǎn)換器接收，將該模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，以便單片機(jī)進(jìn)行識(shí)別，通過(guò)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行軟件編程，在其內(nèi)部將其轉(zhuǎn)化為可以顯示在數(shù)碼管上的功率值，最終通過(guò)數(shù)碼管顯示，在整個(gè)系統(tǒng)的最后加入報(bào)警系統(tǒng)，可以使該課題的設(shè)計(jì)更加的完整，以便在數(shù)碼管上顯示的功率值超出了預(yù)設(shè)的最大功率值，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。這佯，只要電源 Vcc 的上升時(shí)間不超過(guò) 1ms，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位，即接通電源就成了系統(tǒng)的復(fù)位初始化。復(fù)位信號(hào)是高電平有效，其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù) 24 個(gè)振蕩周期(即二個(gè)機(jī)器周期)以上。片內(nèi)時(shí)鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個(gè)兩相時(shí)鐘 P1 和 P2，供單片機(jī)使用。外部方式的時(shí)鐘電路如圖 （b）所示，RXD 接地，TXD 接外部振蕩器。STC89C52是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可檫除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，高性能COMOS8的微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。 掉 電 保 護(hù) 方 式 下 ， RAM 內(nèi) 容 被 保 存 ， 振 蕩 器 被 凍 結(jié) ， 單 片 機(jī) 一 切 工 作 停 止 ， 直 到下 一 個(gè) 中 斷 或 硬 件 復(fù) 位 為 止 。，放大濾波后加入峰值保持電路，而是通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換直接進(jìn)行了模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，后經(jīng)過(guò)分析可知，這樣單片機(jī)不能夠直接采樣到峰值，所以我又增加了一個(gè)峰值保持電路的環(huán)節(jié)，目的是通過(guò)峰值保持電路可以將交流轉(zhuǎn)換為直流，并穩(wěn)定的保持住，這樣做能夠更加充分的保證單片機(jī)采樣到穩(wěn)定的峰值，使得噪聲以及外部干擾降到最低。 脈沖光纖激光器光功率計(jì)總體設(shè)計(jì)方案脈沖光纖激光器光功率的設(shè)計(jì)，是利用 pin 光電二極管采集由激光器發(fā)出的不同頻率的微弱激光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，通過(guò)完整的帶通濾波電路進(jìn)行濾波，將不必要的外界光引起的干擾雜波濾掉，然后將得到的微弱的電壓信號(hào)，通過(guò)放大電路進(jìn)行放大， （本課題所需放大 50 倍） ，為了得到更加準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)效果，該測(cè)試系統(tǒng)中我選擇加入峰值保持電路，將交流轉(zhuǎn)化為直流，讓單片機(jī)可以一直采集到被放大的微弱電壓信號(hào)的峰峰值。20％左右，制約其性能的因素有很多方面，如有激光器腔內(nèi)倍頻晶體、激光器的溫度控制精度、激光器工作電流的穩(wěn)定性、增益介質(zhì)等。脈沖雙包層光纖激光器是一種新型激光器 ,和普通的固體激光器相比,雙包層光纖激光器具有很高的“表面積體積”比,散熱效果好,具有很高的轉(zhuǎn)換效率和很低的閡值。從理論上來(lái)說(shuō)，只有泵浦源和增益光纖是構(gòu)成光纖激光器的必須組件，而諧振腔并非必不可缺的組件。 脈沖光纖激光器光功率計(jì)的設(shè)計(jì)與研究3第二章 光纖激光器光功率計(jì)的原理與設(shè)計(jì) 光纖激光器原理結(jié)構(gòu) 光纖激光器的原理光纖激光器是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器，光纖激光器可在光纖放大器的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)，光 纖 激 光 器 作 為 第 三 代 激 光 技 術(shù) 的 代 表 ， 具 有 其 他 激 光 器 無(wú) 可 比 擬 的 技 術(shù) 優(yōu) 越性 。（4）通過(guò) AD 轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。所以說(shuō)在未來(lái)對(duì)于光纖激光器研究的意義是十分重要的。2022 年 12 月 3 日，烽火通信報(bào)道，繼推出激光輸出功率達(dá) 100W 以上的雙包層摻鐿光纖后，經(jīng)過(guò)艱苦的攻關(guān)再創(chuàng)佳績(jī)，將該類(lèi)新型光纖的輸出功率成功提高至 440W，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平?，F(xiàn)在已經(jīng)有多臺(tái)千瓦級(jí)光纖激光器在美國(guó)、歐洲、亞洲投入到工業(yè)加工或科學(xué)研究中。目前光纖激光器的開(kāi)發(fā)研制正向多功能化、實(shí)用化方向邁進(jìn)，可以預(yù)見(jiàn)，光纖激光器必將在未來(lái)光通信、軍事、工業(yè)加工、醫(yī)療等領(lǐng)域中發(fā)揮重要的作用。（2）通過(guò)峰值保持電路將交流信號(hào)轉(zhuǎn)化為直流的、峰峰值信號(hào)。（3）STC89C52 單片機(jī)部分的設(shè)計(jì)與軟件編程。脈沖光纖激光器在最近幾年成為研究和關(guān)注的熱點(diǎn)，但光纖激光器并非新生事物，就在激光器誕生后的第二年即 1961 年，美國(guó)光學(xué)公司(American Op tical Corporation )的 采用燈泵浦 英寸(約 304μm)和 32μm 兩種直徑的光纖(纖芯材料是摻 Nd3+鋇冕玻璃( bariumcrown glass),包層是蘇打石灰硅酸鹽材料，觀察到了中心波長(zhǎng)為 的受激輻射現(xiàn)象，這是國(guó)際上最早報(bào)道的光纖激光器。國(guó)內(nèi)從 20 世紀(jì) 80 年代開(kāi)始這個(gè)領(lǐng)域的研究工作，如上海光機(jī)所、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、天津大學(xué)以及郵電部和電子部所屬的一些研究單位，在光纖激光器、放大器和相關(guān)器件的研究中都取得了一定的進(jìn)展。這是烽火通信在特種光纖領(lǐng)域邁出的重要一步，同時(shí)也是我國(guó)在高功率激光器用光纖領(lǐng)域的重大突破。本論文的光功率計(jì)的設(shè)計(jì)主要是對(duì)光纖激光器整體功率進(jìn)行檢測(cè)并顯示，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行反饋控制半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電源。（5）通過(guò)單片機(jī)將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析處理。 在 短 期 內(nèi) ， 光 纖 激 光 器 將 主 要 聚 焦 在 高 端 用 途 上 隨 光 纖 激 光 器 的 普 及 ， 成 本 的 降 低 以 及 產(chǎn)能 的 提 高 ， 最 終 將 可 能 會(huì) 替 代 掉 全 球 大 部 分 高 功 率 CO2 激 光 器 和 絕 大 部 分 YAG 激 光 器 。諧振腔的選模和增加增益介質(zhì)長(zhǎng)度的作用在光纖激光器中是可以不用的，因長(zhǎng)光纖本身可以非常長(zhǎng) ,從而獲得很高的單程增益，而光纖的波導(dǎo)效應(yīng)又可以起到選模的作用。雙包層結(jié)構(gòu)使泵浦光有較大的可入射面積,當(dāng)光沿纖芯傳播時(shí),泵浦摻雜纖芯將產(chǎn)生亮度很高,而且光束質(zhì)量接近衍射極限的激光輸出。如果單靠提高激光器控溫精度必然導(dǎo)致激光器成本的大幅度提高，如果激光器本身的性能已達(dá)到技術(shù)參數(shù)要求，則進(jìn)一步通過(guò)控制來(lái)調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器工作電流從而降低輸出光功率的振蕩和超調(diào)是一種很好的解決方法。經(jīng)過(guò)峰值保持后的直流信號(hào)，可以直接被AD0804 數(shù)模轉(zhuǎn)換器接收，將該模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，以便單片機(jī)進(jìn)行識(shí)別，通過(guò)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行軟件編程，在其內(nèi)部將其轉(zhuǎn)化為可以顯示在數(shù)碼管上的功率值，最終通過(guò)數(shù)碼管顯示，在整個(gè)系統(tǒng)的最后加入報(bào)警系統(tǒng)，可以使該課題的設(shè)計(jì)更加的完整，以便在數(shù)碼管上顯示的功率值超出了預(yù)設(shè)的最大功率值，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。脈沖光纖激光器光功率計(jì)的設(shè)計(jì)與研究7第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 硬件電路的總體設(shè)計(jì) 功率計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成通過(guò)光電探測(cè)器模塊采集激光信號(hào)，由于激光信號(hào)比較微弱需要對(duì)其進(jìn)行信號(hào)濾波放大，然后通過(guò)峰值保持電路對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行處理以便單片機(jī)采集到峰值，將采集到的峰值信號(hào)通過(guò) A/D 數(shù)模轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，由單片機(jī)對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理從而得到功率值，在數(shù)碼管上完成對(duì)激光功率的顯示，在系統(tǒng)中設(shè)置報(bào)警系統(tǒng)，在功率值超出規(guī)定值報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)。 最 高 運(yùn) 作 頻 率 35MHz， 6T/12T 可 選 。該器件采用ATMEL搞密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。對(duì)外部振蕩信號(hào)無(wú)特殊要求，只要求保證脈沖寬度，一般采用頻率低于 12MHz 的方波信號(hào)。本課題的單片機(jī)部分的時(shí)鐘電路采用的是（b）方式時(shí)鐘外部電路 RXD 接地，TXD 接外部振蕩器。若使用頗率為 6MHz 的晶振，則復(fù)位信號(hào)持續(xù)時(shí)間應(yīng)超過(guò) 4us 才能完成復(fù)位操作。按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。 信號(hào)采集系統(tǒng)信號(hào)采集:在激光信號(hào)的采集過(guò)程中需要用到光敏二極管進(jìn)行激光的采集，由于光敏二極管包含 PN 結(jié)型，PIN 結(jié)型，雪崩型，以及肖特基型二極管，因?yàn)槭遣杉す庑盘?hào)，所以光電管的速度要快，因此在這里我提出兩套不同的方案：方案一：由于考慮到課題的要求，光電管采集速度要快，采用雪崩二極管進(jìn)行激光信號(hào)的采集,雪崩擊穿是在電場(chǎng)作用下，載流子能量增大，不斷與晶體原子相碰，使共價(jià)鍵中的電子激發(fā)形成自由電子空穴對(duì)。在 I 層兩側(cè)是摻雜濃度很高的 P 型和 N 型半導(dǎo)體，P 層和 N 層很薄，吸收入射光的比例很小。 在耗盡區(qū)，在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下電子向 N 區(qū)漂移，空穴向 P 區(qū)漂移，如果 PN 結(jié)外電路構(gòu)成回路，會(huì)形成光電流。由于 I 層吸收系數(shù)很小，入射光可以很容易地進(jìn)入材料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量的電子—空穴對(duì)，因此大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率。它的單位為 A/W。圖 4 為檢測(cè)器電路及其等效電路，其中 CPN 為檢測(cè)器的結(jié)電容；Rb 為偏置電阻；Ra、Ca 分別為放大器的輸入電阻和輸入電容；Rs 為檢測(cè)器的串聯(lián)電阻，通常只有幾歐，可以忽略。③耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子擴(kuò)散引起的延遲，設(shè)上升時(shí)間為：ιdi。當(dāng)中間層為正偏時(shí)，因?yàn)橛休d流子注入中間層，器件呈低阻；而當(dāng)中間層處于零偏或反偏時(shí)，器件呈高阻。 信號(hào)放大濾波 （1）信號(hào)的濾波 本課題中，對(duì)于采集到的激光信號(hào)的分析處理是十分重要的環(huán)節(jié)，它的效果直接影響下面環(huán)節(jié)的進(jìn)行，當(dāng) PIN 光電管采集到激光器發(fā)出的激光信號(hào)的同時(shí)，把微弱的激光信號(hào)轉(zhuǎn)化為微弱的電信號(hào)，在這個(gè)轉(zhuǎn)換的過(guò)程中肯定摻雜著各種外界光的雜波，從而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由 于 題 中 測(cè) 量 的 是 激 光 信 號(hào) 的 功 率 計(jì) 的 顯 示 ， 所 以 在 信 號(hào) 的 輸 入 端 理 論 上 應(yīng) 該 只 有 激 光 信 號(hào)的 頻 率 可 以 通 過(guò) ， 從 而 通 過(guò) 帶 通 濾 波 器 濾 掉 周 圍 光 線(xiàn) 頻 率 的 干 擾 （ 太 陽(yáng) 光 光 以 及 日 光 燈 等 ） ，脈沖光纖激光器光功率計(jì)的設(shè)計(jì)與研究13所 以 這 里 對(duì) 于 濾 波 的 要 求