[发明专利]超快激光平衡探测光电脉冲信号整形方法及实现电路

说明书

技术领域

本发明属于光学电子器件技术领域，具体涉及一种光电脉冲信号的整形方法及其实现电路，主要应用于超快激光脉冲的平衡探测中。

背景技术

光学是研究物质材料，尤其是薄膜材料性质的一种有力手段。光学实验可以获得材料光学反射率、透射率、椭偏率等数据，并可依据此进一步了解有关材料内部能级，电子态配对情况、自旋状态等重要信息。特别是随着20世纪末期超短脉冲激光技术的发展，时间分辨的亚皮秒和飞秒泵浦探测技术应运而生，而如何精确地获得超短激光脉冲与物质相互作用后脉冲光的强度、偏振状态等性质，是现代光电子学的研究课题之一。

一般实验室常用的超快激光是掺钛的蓝宝石激光器产生的重复频率约在80MHz，持续时间约为35—150fs，波长在800nm左右的振荡级激光，以及利用啁啾放大振荡级激光得到的波长和持续时间接近振荡级，但重复频率在1 kHz 且单个脉冲能量密度极大的放大级激光。本说明书将放大级激光划归于低重复频率超快激光范畴。

在利用超快激光开展的测量中，经常需要测量超快激光的偏振角度的微小变化。采用平衡探测方式进行测量原则上可以极大地提高偏振变化的检测灵敏度。在这种测量方式中，将待检测的脉冲光通过偏振分光法分成两束脉冲光，分别进入两个相同的探测器，然后将光电流信号进行差分平衡处理。若两个光脉冲强度完全相同，则光电信号为零，若偏振角度发生变化，则两个光脉冲的强度之差随角度差异线性变化，而差分平衡的光电信号正比于光强差异，据此获得偏振变化的定量信息。

然而，普通的光电平衡探测器在开展低重复频率超快激光脉冲的平衡测量中效果并不理想。这是因为，对于探测器中成对的光电探头，两者之间总有非常微小的不同，因此其对超快脉冲激光的响应有所不同，体现在光电脉冲信号的波形失配，尤其是响应时间的差异，如说明书附图1所示。这种光电脉冲波形的失配导致在光脉冲强度相同的情形下依然产生很大的差分电信号，或者当脉冲光强不同时，实际光强差异对应的差分信号远小于由于波形失配产生的差分信号。因此这种波形失配造成的差分信号通常占据了总噪音的很大部分，降低了探测系统的信噪比。另一方面，由于波形失配形成的差分信号会在很大程度上限制探测器的总体增益，这同样减弱了探测器检测微弱信号的能力。事实上，实验表明普通的平衡探测器在进行低重复频率飞秒光脉冲平衡测量时，这种波形失配是很非常明显的。如何抑制平衡探测器中的波形失配，充分利用平衡探测手段消除大信号的共同噪音，提高脉冲光强信号差异的检测精度，是本发明平衡探测器的设计目的。

发明内容

本发明的目的在于提出一种能够对光电脉冲信号波形失配效应进行有效抑制，提高平衡检测精度的超快激光脉冲平衡探测光电脉冲信号整形方法及实现电路。

为了抑制平衡探测中的光电流脉冲信号波形失配效应，本发明采用电学手段对光电流脉冲进行整形展宽处理，以减小波形失配引起的差分信号,降低其对平衡效果的不利影响。附图2是通过脉冲光电信号展宽而减小波形失配导致的差分信号的原理示意图。这里假设脉冲光电信号的形状接近三角形，两路电信号形状接近，但在上升与下降沿时间上有时间差的不匹配，其差分信号如图2（b）图所示。在保持原始脉冲信号强度H的情形下，差分信号的大小与脉冲时间宽度成反比，即展宽程度越大，波形失配引起的差分信号越小。当波形失配是限制电信号放大能力的关键瓶颈时，增加，能够有效地减小本底差分信号，提高信噪比。

本发明中，对光电流脉冲信号进行整形展宽处理，其对应的实现电路的传递函数H可以写成：

该传递函数满足，传递函数线性时不变，且收敛。其中，y是输出信号，t是时间，s是复变量，，…等是不同的实参数，量纲为时间表示的是直流情况下的传递函数。在传递函数满足上述关系时，恰当地设计，，…等参数，例如设计，就能实现所需的脉冲整形功能。

对于实际的平衡放大器而言，认为输入的两个具有微小差异的光电流信号分别为，其频域表示为。时域上的输入信号x可以认为是间隔时间非常长的近似函数的电信号，该输入信号经过传递函数处理之后，输出信号y在复频域的表示Y可以写为或者的形式，这两种信号处理方式分别对应于后文具体电路实现中的先差分后整形与先整形后差分的平衡测量方式，这里的传递函数与H有一样的形式，且的参数选择与H基本相同。因此经过恰当的传递函数的电路的处理，就能实现窄脉冲光电流的整形展宽，起到本发明提出的抑制不匹配的作用。