Schemat detektora do pomiaru słabych sygnałów bez tła

Schemat detektora do pomiaru słabych sygnałów bez tła
Tomasz M. Brzozowski
1 lipca 2003
1
Wstęp
Detektor, opisywany w tym dokumencie, jest w naszych eksperymentach wykorzystywany do pomiaru
sygnału mieszania czterech fal. Jest to bardzo słaby sygnał o mocy rzędu kilkunastu nanowatów,
generowany przez procesy nieliniowe w próbce zimnych atomów rubidu. Jest to, w odróżnieniu od
sygnału absorpcyjnego, sygnał bez tła. Do zmierzenia dynamiki takiego sygnału potrzebny jest detektor
o bardzo dużym wzmocnieniu, rzędu kilkudziesięciu mV/nW.
2
Opis schematu detektora
W detektorze, którego schemat przedstawia rysunek 1, zastosowano dwa stopnie wzmacniające. Pierwszy z nich opiera się na wzmacniaczu operacyjnym zintegrowanym z detektorem (OPT101). Przy oporze
1 MΩ w sprzężeniu zwrotnym wzmacniacza operacyjnego, dla światła o długości fali 780 nm otrzymujemy na wyjściu OPT101 0.6 V/µW. Aby osiągnąć pożądaną czułość, musimy wzmocnić sygnał co
najmniej 100 razy. Do tego celu używamy wzmacniacza operacyjnego OP27. Końcowe wzmocnienie na
wyjściu detektora wynosi wtedy 60 mV/nW. Do wygodnego używania detektora konieczna jest kompensacja offsetu, którą realizujemy przez układ oparty na diodzie referencyjnej 2.5 V (LM336). Napięcie
z potencjometru 10 kΩ podłączonego równolegle do diody podawane jest na wejście nieodwracające
wzmacniacza OP27, co pozwala na dokładne wyregulowanie zerowego poziomu sygnału wyjściowego
przy zasłoniętym detektorze. Kondensatory zastosowane w układzie służą do redukcji szumów i zakłóceń. Detektor zasilany jest z dwóch baterii 9V.
Rysunek 1: Schemat detektora
1
3
Zmierzone charakterystyki detektora
sygna³ na wyjœciu detektora [V]
Zmierzone charakterystyki detektora znajdują się na wykresach 2 i 3. Wzmocnienie wynosi 30 mV/nW.
Charakterystyka częstotliwościowa pokazuje, że detektor nie nadaje się do mierzenia sygnałów szybszych niż 2 kHz.
7
6
5
4
3
detektor[V]=-0.25399+0.02958*moc[nW]
Czu³oœæ detektora: 30 mV/nW
2
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
moc lasera [nW]
Rysunek 2: Zmierzone wzmocnienie detektora.
U/U
0
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
100
1000
10000
czêstotliwoœæ [Hz]
Rysunek 3: Charakterystyka częstotliwościowa detektora
4
Uwagi
Detektor najlepiej jest zmontować na małej płytce, którą umieszczamy w metalowej obudowie, co zapewnia ekranowanie przed zakłóceniami. Baterie, ze względu na rozmiary detektora, umieszczone są na
zewnątrz obudowy. Zaleca się naklejenie na element fotoczuły układu OPT101 filtru podczerwonego,
który zapobiega zakłóceniom pochodzącym od światła widzialnego. Aby osłonić detektor od pasożytniczych refleksów, mogących zakłócać sygnał, a nawet powodować jego nasycanie, przyklejamy do niego
kilkucentymetrową tutkę z czarnego kartonu. Obudowę detektora umieszczamy na podstawce izolującej
go od stołu optycznego.
2