基于半导体激光器的有源电场传感器研究

　　摘要：本文设计并研制了一种基于半导体激光器和光纤传输的有源电场传感器，该传感器可用于电磁脉冲测量。该传感器利用一个渐近圆锥天线来感应电场，通过基于高速运算放大器的有源积分器来处理天线的微分信号，并通过DFB-LD(分布反馈半导体激光器)将电信号转换为光信号。实验结果表明，此类传感器可用于检测纳秒级的电磁脉冲。

　　关键词：半导体激光器;光纤传输;传感器;有源积分器;光电转换

　　引言

　　传统的激光器设备主要由激光器和激光电源组成，激光电源是激光器的能源，为激光器泵浦模块提供能量。激光器的能量、稳定性和波长，不仅取决于恒流源驱动电流的大小，而且受温度的影响很大。半导体激光器拥有广阔的应用范围和极大的应用潜力，广泛应用于军事、医疗、商业贸易和工业生产等多个领域。但是传统的半导体激光器内部的设计模式并不好，使用寿命也很短，大大限制住了半导体激光器的使用路径[1]。通过对内部驱动电源的设计分析，可以优化半导体激光器的电力结构，有效延长半导体激光器的使用寿命。在大功率电磁学领域，我们不可避免的要测量上升时间仅为几纳秒的电磁脉冲信号，用来检测此类瞬变脉冲信号的传感器必须具有很大的带宽以捕获纳秒信号。本文设计并研制了一种用于检测纳秒级快速瞬变秒冲的电场传感器。D-dot探头天线是由卡尔·鲍姆提出的一种宽频带电场天线，其工作带宽一般可达到几GHz。电场传感器的接收天线可以选择ACD(渐近锥形天线)，但是ACD的输出信号是电场的导数，一般通过以下两种方法得到原始的电场信号：一种方法是利用无源积分器对天线的输出信号积分，另一种方式是利用计算机软件对数字信号进行积分。本文提出了一种有源积分电路以得到原始的电场信号。本文所研究的传感器中还集成了一个光电转换电路，信号可以通过光纤传输以减少电磁环境的干扰。

　　一、半导体激光器的特点与应用

　　半导体激光器拥有体积小巧，重量很轻的特点，一般用于通讯、医疗等信息传播较高的领域，在很多行业都有着广泛的应用，而且还可以结合电子光片与电子电器集成的优势，可以在医疗事业，尤其是电波电磁等医疗救护行业当中有着重要作用，但是半导体激光器比较脆弱，容易被高电压或者电流的冲击导致损坏。那其电源的耐磨损程度就要重新设计，在医疗事业当中也不允许经常性损坏，如果电源输出的电压或者电波的质量不好，再加上没有稳压器对电源进行保护，会导致激光性能有所下降，应该有设计优良的电源可以更好的发出电力，来稳定电压工作[2]。

　　半导体激光器LD对于工作影响

　　实际上，造成LD损坏的云因主要还是因为内腔面污染和浪涌的击穿。腔面的污染可以通过清洁环境来解决，那么浪涌击穿会产生半导体激光器的PN结损伤，这里面的原因有很多：包括开机的瞬间电流强度大小，电网中其他电力设备的启停，外部天气因素比如雷雨雷电，以及一些静电磁场的影响。还有就是工作环境下的高压电流，静电的存在，都会造成LD的损坏，要么就是使用寿命的缩短，这些都是需要采取防护措施来进行保护的。

　　三、传感器设计

　　1.总体结构

　　电磁脉冲传感器由渐近锥形天线、有源积分器以及光电转换电路三部分组成，接收天线为单极ACD天线。单极天线需要一个较大的金属面作为镜像天线，天线的高度必须小于保护壳边长的1/8，此外天线的高度还受到传感器上限工作频率的限制。我们采用有源积分电路来处理ACD的输出信号，而光电转换电路的目的则是将传感器的测量信号由电信号转换为光信号并通过光纤传输。整个电路由电池供电，并且集成在铝制的保护壳中。

　　ACD天线设计

　　渐近锥是索尔基于等效电荷法而设计提出的，天线的几何形状是由特殊静电荷分布的等势面所确定。天线的等效电容、等效面积等重要的电磁参数都可以准确的计算得到。

　　根据锥形天线的半锥角可得到单极天线的特性阻抗：

　　由可计算得到天线的截止频率。当频率低于时，天线的输出信号为电场的导数，如果天线高度为10mm，截止频率可高达24GHz，但 是由于锥形天线的顶部变形，这一理论上限频率在实际中是无法实现的[3]。天线和积分电路的连接接头还会导致阻抗的不连续性。

　　3.有源积分器及光电转换电路

　　有源积分器由运算放大器、积分电容以及电阻R组成。为确保积分器具有良好的高频响应，我们需要选择高速运算放大器。实验表明，积分电容的寄生电感会使信号明显失真，因此选择高频率的微波电容作为积分电容。为了抑制运算放大器的输出漂移，将一个反馈电阻与积分电容相并联。相应的时间常数应不小于测量信号脉冲宽度的10倍[4]。为了利用光纤作为传输介质，本文通过分布反馈激光器(DFB laser)将电信号转换为光信号。我们要给激光器一个偏置电流以使其工作在线性范围，电感L用来限制激光器通过耦合电容调制的驱动信号。

　　四、半导体激光器对驱动电源的要求

　　一般来说，在注入半导体激光的电流时，需要注入电流小于额定的阈值，因为输出的功率很小，只能发出一些很弱的光。射出的光也只能是半导体激光器自己发出的辐射光的能量，而并不是从物质原子钟发出的。注入半导体的激光器的电流大于阈值的时候，激光器在稳定很定的失手输出的功率超过电流最大的上限的时候，驱动电源就会被烧毁，如果严重的话还会发生爆炸，会伤到现场的工作人员和其他设备的损毁。

　　因为半导体的激光器反应时间很快，可以用微秒来计算进行，那么在极端的时间内内部驱动的电源要承担起保护线路安全的责任，尽可能减小或者消除冲击性电流所带来的破坏性效果[5]。一方面，像半导体激光器这种非感性的电力负载，在闭合开关和断开电源的瞬间都会产生一股很大的冲击性电流。半导体激光器的驱动电源必须要将电力的输入和输出设计成一种启动较慢的安全性电流回路。通过降低激光波长的纹波系数和滤除电路中的交流分量来保证流通电流和输入电压的稳定性[6]。另一方面，气候温度和空气湿度以及线路老化等原因都对半导体激光器的激光输出功率有着显著的负面影响。半导体激光器的驱动电源必须要有一套自动控制电路温度，同时增益输出功率的设计方案，使半导体激光器能够在恒温的状态下进行正常的工作。

　　五、传感器性能

　　脉冲发生器产生脉冲宽度为50ns的方波，TEM室(横电磁传输室)产生均匀平面电磁波，传感器被放置在TEM室的中间来测量脉冲电场。传感器的测量结果，其中实线为脉冲发生器产生的电压信号，虚线为传感器的测量信号[7]。实线的上升时间约为1ns，接收信号的上升时间约为3ns。由于连接传感器和接收器的光纤比连接TEM室和示波器的同轴电缆长很多，两个信号之间有一定的时延。

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　　结论

　　为了检测纳秒级电磁脉冲的上升时间，本文设计了一种基于D-dot探头天线和有源积分器的电场传感器。实验结果表明，该传感器可以检测到上升时间为几纳秒的瞬变脉冲。在以后的研究中，可以通过优化天线和积分器的连接结构，减小阻抗的不连续性，来进一步提高传感器的性能，并通过优化电路的PCB设计以及选用高频性能更好的电路元件，来减少寄生参数的影响。

　　参考文献：

　　[1]宋金岩.基于半导体激光器和环形腔的强度检测光学传感器研究[D].浙江大学，2013.

　　[2]王阳阳，毕军建，陈翔，王璐璐.有源电光调制式高功率瞬态电场传感器的研制[J].计算机测量与控制，2012，(4).

　　[3]孟萃，郭晓强，陈向跃，聂鑫，毛从光，相辉，程建平.脉冲电场传感器灵敏度响应系数一致性的实验研究[J].核技术，2007，(01).

　　[4]张卫东，崔翔.光纤瞬态电场传感器的研究[J].测控技术，2004，(04).

　　作者：吴贻标