O 引 言
Z掃描是一種應(yīng)用于光學(xué)非線性測量的方法,，使用這種方法可以測量光學(xué)材料非線性折射率的大小、正負(fù)以及非線性吸收系數(shù),。因?yàn)橥ㄟ^光學(xué)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(guān)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(jì)算出光學(xué)材料的非線性折射率大小、正負(fù)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(gè)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(zhǔn)確的數(shù)據(jù),，但是其價(jià)格昂貴，體積較大,，不適合形成一個(gè)獨(dú)立的光學(xué)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(shí)檢測出光電轉(zhuǎn)換后的電壓幅值的數(shù)據(jù),，同時(shí)通過高速并行比較器基準(zhǔn)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(jī)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(gè)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(jī)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(jī),，由PC機(jī)進(jìn)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(gè)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(dāng)光脈沖信號出現(xiàn)時(shí),，在D觸發(fā)器的輸出端將出現(xiàn)與脈沖幅度相對應(yīng)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(gè)比較點(diǎn),，電壓范圍從450～900 mV，相鄰兩個(gè)比較點(diǎn)的電壓為30 mV,。為保證測量的準(zhǔn)確,，基準(zhǔn)電壓由基準(zhǔn)電壓源TL431提供。
2．2 信號處理
AT89C52通過74LS244讀取數(shù)據(jù)鎖存器74AC74輸出的16位并行信號,，對數(shù)據(jù)進(jìn)行甄別,，剔除干擾信號，將數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼后存入數(shù)據(jù)存儲器,。圖4給出了信號處理部分原理圖,。
2．3 數(shù)據(jù)信號傳輸部分
測量系統(tǒng)沒有安排專門的顯示器，因此測量數(shù)據(jù)無法直接觀察,，這是因?yàn)閿?shù)據(jù)較多,，小屏幕LCD顯示屏不能滿足觀察要求。系統(tǒng)采用將數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī)的方法,，由PC機(jī)完成數(shù)據(jù)的制表,、繪圖等工作。系統(tǒng)與PC機(jī)串行通信采用RS 232C接口,，通信速率為4 800 b／s,。
3 軟件設(shè)計(jì)
測量系統(tǒng)的軟件分為兩部分，一是單片微機(jī)部分,，單片微機(jī)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)的方法,，主要分為如下幾個(gè)軟件模塊：主程序、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和通信,。由于單片微機(jī)的主要功能是控制,，并不承擔(dān)大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算，所以軟件采用匯編語言編程,，圖5所示是主程序模塊和通信模塊流程圖,。由于系統(tǒng)采集的是離散的微弱信號，因此必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行甄別處理,，系統(tǒng)采用較為簡單的數(shù)字濾波方法——程序判斷法，剔除了干擾信號,。
軟件的另一部分是PC機(jī)部分,，PC機(jī)部分軟件主要是串口通訊程序，串口通訊程序使用VC++中的MSComm控件來編譯串口通訊的應(yīng)用程序,，采用MSComm32．OCX控件,，其特點(diǎn)是操作簡單，功能強(qiáng)大,。
使用控件的屬性進(jìn)行串口的設(shè)置,，使用控件的事件驅(qū)動進(jìn)行串口響應(yīng)，使用控件的方法完成串行口接收和發(fā)送數(shù)據(jù),。其主要屬性,、事件如下：
CommPort：表示通信端口coml，com2的名字,；
Settings：設(shè)置波特率,、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位,、停止位,；
ParityReplace：當(dāng)發(fā)生奇偶校驗(yàn)錯誤時(shí)，設(shè)置并返回替換數(shù)據(jù)流中的一個(gè)非法字符,；
PortOpen：用于打開和關(guān)閉串,；
InBufferSize：設(shè)置并返回接收緩沖區(qū)的大小，以字符為單位,；
Rthreshold：設(shè)置并返回接收時(shí)產(chǎn)生的OnComm事件數(shù),；
NullDiscard：設(shè)置是否忽略發(fā)送0(NULL)字符；
InputMode：設(shè)置并返回接收類型,，ComInput—Mo．deText是字符方式,，CornlnptltModebinary是二進(jìn)制方式；
InputLen：設(shè)置并返回從接收緩沖區(qū)讀取的字符,。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
通過Z掃描系統(tǒng)獲得的光脈沖信號,，在高頻數(shù)字示波器上顯示的圖像如圖6所示，通過觀察并統(tǒng)計(jì)，其寬度約為4～5 ns,，幅值在650～950 mV之間變化,。
采用本測量系統(tǒng)得到的一組數(shù)據(jù)如表1所示。將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后得到如圖7所示的脈沖信號,，其幅值與高頻數(shù)字示波器上顯示的圖像信號的幅值完全吻合,，說明測量系統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。測量系統(tǒng)相鄰兩個(gè)比較點(diǎn)的電壓為30 mV,。光脈沖的幅值變化范圍為：700～950 mV,，因此其測量誤差約為：±3％～±5％。
5 結(jié) 語
由于Z掃描光學(xué)測量系統(tǒng)僅需要獲取光脈沖信號的幅值,，不難看出本文所給出的設(shè)計(jì)完全可以達(dá)到Z掃描實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集的要求,。由此使Z掃描實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)大大簡化，并且可以實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù),。當(dāng)然由于并行A／D需要的硬件較多,，所以其幅值的分辨率較低，如需進(jìn)一步提高分辨率,，降低誤差,，則要增加硬件。