一種基于高速并行A／D轉(zhuǎn)換的激光z掃描的 高頻窄脈

O 引 言
Z掃描是一種應用于光學非線性測量的方法，使用這種方法可以測量光學材料非線性折射率的大小、正負以及非線性吸收系數(shù)。因為通過光學材料的激光能量大小與光電接收器轉(zhuǎn)換后獲得的電壓幅值成某種比例關系，因此通過測量光電接收器轉(zhuǎn)換后的電壓幅值就可以很方便地計算出光學材料的非線性折射率大小、正負以及非線性吸收系數(shù)。由于光脈沖的寬度較窄，其寬度約為幾個ns，因此通常采用高頻數(shù)字示波器測量其信號的幅值，然而高頻數(shù)字示波器雖然能夠得到準確的數(shù)據(jù)，但是其價格昂貴，體積較大，不適合形成一個獨立的光學測量系統(tǒng)。本文給出的測量系統(tǒng)，采用高速并行A／D轉(zhuǎn)換的方法，不但能夠?qū)崟r檢測出光電轉(zhuǎn)換后的電壓幅值的數(shù)據(jù)，同時通過高速并行比較器基準電壓的調(diào)節(jié)能自動濾除不需要的數(shù)據(jù)，避免了PC機處理大量冗余數(shù)據(jù)，有效縮短了數(shù)據(jù)采集的周期。

l 測量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
Z掃描測量系統(tǒng)如圖1所示，包括激光器、分光鏡、聚光透鏡組、被測樣品、反射鏡和光電轉(zhuǎn)換二極管。高頻窄脈沖信號幅值測量系統(tǒng)組成如圖1所示，系統(tǒng)主要包括三個部分，如圖2所示。

(1)信號轉(zhuǎn)換部分，通過樣品折射后的高斯光束經(jīng)反射鏡反射到光電二極管，光電二極管將光信號轉(zhuǎn)換成模擬電信號，模擬電信號經(jīng)高速并行A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并送數(shù)據(jù)鎖存器鎖存。
(2)數(shù)據(jù)處理部分，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入數(shù)據(jù)鎖存器鎖存，單片機通過緩沖器讀取鎖存器的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)編碼。
(3)數(shù)據(jù)傳輸部分，經(jīng)編碼后的數(shù)據(jù)傳送給PC機，由PC機進行存儲、打印、繪圖等操作。

2 硬件電路
測量系統(tǒng)采用ATMEL公司的AT89C52作為控制器，由信號轉(zhuǎn)換，信息處理，數(shù)據(jù)傳送三部分組成。
2．1 信號轉(zhuǎn)換
測量系統(tǒng)測量的對象是高頻窄光脈沖信號，光脈沖的平均寬度僅為4 ns，所以信號轉(zhuǎn)換電路和數(shù)據(jù)采集電路均要采用具有高頻特性的電路，系統(tǒng)選用DETl0A／M高速光電二極管作為光電轉(zhuǎn)換器，DETlOA／M的工作頻率為1 GHz。并行A／D轉(zhuǎn)換器中的比較器選用MAX964ESE高速比較器，其上升沿典型值為2．3 ns，失調(diào)電壓為±2．0 mV，工作電壓：2．7，～5．5V，內(nèi)含4個比較器，圖3中給出了1片MAX964ESE的連接電路。從比較器輸出的信號送數(shù)據(jù)鎖存器，數(shù)據(jù)鎖存器采用高速、低功耗D觸發(fā)器74AC74。測量開始，通過P1．0將D觸發(fā)器的所有輸出端清“O”，當光脈沖信號出現(xiàn)時，在D觸發(fā)器的輸出端將出現(xiàn)與脈沖幅度相對應的數(shù)據(jù)。測量系統(tǒng)共使用了4片MAX964ESE，8片D觸發(fā)器74AC74，選擇了16個比較點，電壓范圍從450～900 mV，相鄰兩個比較點的電壓為30 mV。為保證測量的準確，基準電壓由基準電壓源TL431提供。