四象限光电探测器在激光光学系统中的典型应用分析.pdf

四象限光电探测器在激光光学系统 中的 典型应用分析 刘 宁，柴金 华(中国人 民解放 军炮兵 学院，安徽 合 肥 2 3 0 0 3 1)摘要：分析 了四象限光电探测器在激光制导、光镊、扫描探针显微镜和空间光通信等激光光学系统中的典 型应用。结果表明，四象限光电探测器应用在激光制导中具有高制导精度的优势；应用在光镊系统和扫描探 针显微镜 中具有纳米级分辨率：应用在空间光通信 中具有较高跟踪和定位精度。关键词：四象限光 电探测 器；激光制导；光镊；扫描探针显微镜；空间光通信 中图分类号：T N 3 6 6 An a l y s i s o f Ty p i c a l Ap p l i c a t i o n s o f Qu a d r a n t Ph o t o d e t e c t o r s t o Mo d e r n Op t i c a l Sy s t e ms L I U N i n g，CHA I J i n h u a (A r t i l l e r y A c a d e m y o fP l J A He f e i 2 3 0 0 3 1，C h i n a)Ab s t r a c t：T h e t y p i c a l a p p l i c a t i o n s o f q u a d r a n t p h o t o d e t e c t o r s t o mo d e m o p t i c a l s y s t e ms s u c h a s l a s e r g u i d a n c e，o p t i-c a l t w e e z e r s，s c a n n i n g p r o b e mi c r o s c o p e a n d f r e e s p a c e o p t i c a l c o mmu n i c a t i o n we r e a n a l y z e d T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t q u a d r a n t p h o t o d e t e c t o r c o u l d p r o v i d h i g h g u i d a n c e p r e c i s i o n a p p l i e d t o l a s e r g u i d a n c e，n a n o r e s o l u t i o n a p p l i e d t o o p t i c a l t w e e z e r s a n d s c a n n i n g p r o b e mi c r o s c o p e，a n d h i g h t r a c k i n g p r e c i s i o n a p p l i e d t o s p a c e o p t i c a l c o mmu n i c a。t i o n K e y wo r d s q u a d r a n t p h o t o d e t e c t o r；l a s e r g u i d a n c e；o p t i c a l t we e z e r s；s c a n n i n g p r o b e mi c r o s c o p e；f r e e s p a c e o p t i c a l c o mmu n i c a t i o n J !a n 2 0 09 L 一 1 引 言 四象限光电探测器广泛应用于跟踪【l 2 1、制导、定位5 1 和准直6 1 等方面，作为测量组件在扫描探针显 微镜、光镊以及空间光通信等激光光学系统中也有 着大量的应用。近年来，我们重点关注了制导中四 象限光电探测器及相关电路 的抗干扰问题 考虑到 四象限光电探测器在现代激光光学系统中的重要应 用，且 目前尚无文献对此做综述，故本文按制导、光镊、扫描探针显微镜和空问光通信的顺序。对近 年来四象限光电探测器在这 4个方面的典型应用做 出了归纳和分析。2 四象 限光 电探 测器在激 光制导 系统 中的应用 目前应用最为广泛的激光制导模式是激光半主 动(S A L)制导，典型的激光半主动制导武器系统主 要由带激光半主动导引头的导弹(炸弹、炮弹)、发 射平台和激光 目标指示器构成。大部分激光导引头 均采用四象限光电探测器作为获取 目标空间坐标信 息的传感器件。四象限探测器由相互独立的4只光 电二极管组成，4只光电管以光学系统的轴线为对 称轴，置于焦平面附近。导引头也可采用双四象限光电探测器对来 自 不同区域 的信号采用不同的模式处理。对外围区(q b l 0 m m)的信号可以采用开关电路进行处理，对 中心区四象限 f 2 m m)的信号采用线性电路进行 处理I3 1，这样可以方便地调节导引头的跟踪视场。以 适应不同的 目标。在目标捕获阶段，双四象限均可 接收目标信号，跟踪视场角大，为一 1 5。一+l 5。，便于 发现和捕捉 目标：而在 自动导引阶段 f 线性跟踪阶 段)，外围信号通道被关断，导引头跟踪视场缩小 到一 3。一+3。从而降低了外部干扰的几率，提高了系 统的灵敏度 但在具有发射前锁定功能的导弹上，这种指标就满足不了要求。双四象限的缺点是内外 象限需切换，系统复杂，成本高。四象限探测器分为 S i 雪崩光电二极管(A P D)四象限探测器和 P I N光电二极管(P I N)四象限探 测器，表 1 为两者之间性能的比较。激光制导武器的命中精度高，表 2为几种采用 四象限光电探测器的激光制导武器的性能对比。从 表 2可知，采用四象限光电探测器的精确激光制导 武器攻击固定目标的命 中精度 f 圆概率偏差)基本 都在 l m以内，可以实现对 目标的精确打击，这在 现代战争 中已得到证实。比如在海湾战争中，F 一 1 1 7投掷激光制导炸弹的误差仅为 1 2 m，车臣战 争中，精确制导炸弹的误差仅为 1 m左右，而精确 制导导弹的精度则可以达到 0 5 m。表 1 A P D和 P I N四象限探测器在制导应用中的对 比 n A G M一 6 5 E幼畜 L G B宝石路 I 型 铜斑蛇 N i m r o d猎人 空 地 导 弹 制导炸弹 制导炮弹 反坦克导弹 1 9 7 5 1 9 7 0年代 1 9 71 1 9 9 2 0 3 l m 3 m 0 4 O 9 m 4 2 0 k m 1 m 2 6 k m 美 国 美 国 美国 以色列 光 机 电信息 J a n 2 0 0 9 由于半主动激光制导易受天气以及对方激光对 抗手段的干扰，目前激光制导的发展方向为采用激 光雷达 f L i d a r)的主动导引头，激光半主动与非制 冷红外成像、毫米波寻的等制导体制相结合的以四 象限探测器为主的复合双模导引头或多模导引头1 o l，以及采用上述导引头并与光纤制导相结合的新一代 制导技术【“2 1。3四象 限光 电探测器在光镊 系统 中的 应用 光镊是利用光与物质问动量传递的力学效应而 形成的三维梯度光阱来操纵微粒的技术。美国科学 家 A r t h u r A s h k i n经过一系列的研究 最终在 1 9 8 6 年发明了光镊。光镊具有能够对微小单位进行无 机械接触操作和静态、动态力学量测量的功能。光 镊技术的这一独特功能，使它很快就在细胞亚细胞 层次、微米尺度微粒的各种生物研究【1 5，l6 1、皮牛顿量 级的物理研究【7 1 8 1工作中发挥了重要作用。为了满足 不同应用中光镊系统的精度和稳定度，光镊光学系 统中通常采用四象限光电探测器或 四象限光电探测 器与 C C D探测器相结合的方式作为其探测组件。图 1 光 镊 位 移 测 量 系 统 实 验 不 意 图 度的定位和位移测量【堋。图 1 为光镊位移测量系统实 验示意 图。系统包括光镊 f 及其控制)和位移测量两大部 分。其中位移测量部分由两路独立的测量系统构成。一路为四象限探测器位移测量系统，它通过对样品 位置变化所引起的光场变化进行测量来实现样品的 位移测量。它可以实时地测量微米小球的位置改变，时间分辨率可达到 1 m s 或者更快。另一路为 C C D 相机图像采集和分析处理系统，利用对动态显微图 像的分析来实现样品的位移测量，能够达到更高的 测量精度。光镊位移测量系统实验测量结果表明，两套测 量系统的位置分辨精度均达到了纳米量级，但各有 利用四象限探测器可以实现微米小球的纳米精 优缺点，如表 3 所示。表 3 光镊 系统 中四象限探测器和 C CD探 测器 的优缺点 比较 J a k o b Ki s b y e D r e y e r，Ki r s t i n e B e r g S o r e n s e n的 研究表明通过四象限探测器或 C C D探测器也可对 光镊捕获的微粒进行轴向位置探测田。Mi n g-T z o We i 和 A r t h u r C h i o u通过改进光路并采用两个 四象限探 测器的方式，实现了对光镊捕获的微粒的三自由度 探测【2 l 1。实验 系统如图 2所示，一束激光(波长 5 3 2 n m)经过空间滤波器和扩束器后，平行通过一 组可以二维移动的扫描透镜组 照射到试样后散 射光汇聚 1 Q P D I 上，从而测量试样在 y 平面的位 移(V =(+2)一(V 3+4)V J)；另 束 H e-N e 激光器发射的激光(波长 6 3 3 n m)照射到试样后的 散射光汇聚到 Q P D I I 上。测量试样在 平面的位 移。(C C D用来校正试样的位移)。考虑到光镊系统中光阱中心附近。势阱很类似 于简谐势只要标定了光阱的刚度测出被捕获粒 子偏离阱中心的距离，就可算出粒子受到的阱力，J a n 2 0 0 9 箜 L二 尊 豳 图2光镊 三 自由度 探 测 原 理 不 意 冈 并 由此得 出粒子所受外力I2 2 。通过对外力和位移测量的结合可以实现对微粒 的三维操 控。Mi n g T z o We i，S h a n g L i n g L i u，T e Y u T s e n g 等建立了光镊捕获微粒的光学受迫振动模 型，并进行了实验室试验，可以测量细胞膜上蛋 白 质和蛋白质之间的相互作用，以及测量 D N A片段的 弹性模量。通过四象限探测器的高响应实时反馈，可以实现 1 0 6 0 0 H z 的受迫振动。实验系统如图 3所示，N d：Y V O 激光器发射的 激光(波长 1 0 6 4 n m)用 来操控试样。H e N e 激光 器发射的激光用来跟踪试样，其散射光被 Q P D接收 后形成位移信号反馈给 N d：Y V O 激光器的透镜控制 装置，从 而连续控制试样 的振动。图 3光镊光学受迫振动实验示 意图 4四象 限光电探测器 在扫描 探针显 微 镜 中的应 用 扫 描 探 针 显 微 镜(S P M)是 扫 描 隧 道 显 微 镜(S T M)、原子力显微镜(A F M)、近场光学显微 镜(S N O M)等近几年发展起来的新 型显微镜 的总称。S P M 的发展使得在纳米尺度上研究物质的特性和相 互作用成为可能。采用 四象限探测器作为主要探测 器件的 S P M，其测量表面特征的尺寸可以从原子间 距到 1 0 0 m之间变化。扫描探针显 微镜 的工作原 理是将探针针尖 制作 在一个对微弱力 极敏感 的 V字形 的微悬臂 上，带有 针尖 的微悬臂将随着样 品表面 的起 伏而颤动，利用 电学或光学检测方法得到样品表面形貌的信息。图 4 扫 描 探 针 显 微镜 工作 原 理 图 最初是利用 电学的方法检测微悬臂的运动，但 其横 向分辨率只有 3 n m。1 9 8 8年，国外开始对 S P M 进行改进 研制 出了利用 四象 限探测 器激 光检测 微悬 臂运动的方法。其方法如图4所示，一束激光经微 悬臂背面反射到四象限光电探测器(Q P D)上，当微 悬臂弯曲时激光束在探测器上的位置将发生移动，Q P D本身可测量光点小至 1 n m的位移，微悬臂位 移的放大倍数为悬臂至探测器的距离与悬臂长度之 比。通常这一比例可以做得很大，使得系统可探测 针 尖在垂 直 方 向上 0 1 n m 的位移。与 电学方 法相 比，应用四象限探坝 0 器的光学法有一些独特的优点：首先，由于激光束束斑的直径为几个微米。这使其 反射信号受微悬臂背面粗糙度的影响较小，从而降 低了仪器对热飘移的敏感程度；其次，微悬臂背面 的污染对光信号影响较小，对隧道电流的影响则相 当严重：另外，激光束对微悬臂产生的作用力很小，从而使仪器更加可靠稳定，而且光学法对微悬臂的 导电性无要求。扫描探针显微镜光学及 9 l 4 量系统工作原理如图 5所示2 4 1 测量光束被分束器分为两部分：一束返回 到干涉测量组件以测量探针的位移，另一束反射到 光学杠杆测量组件的 Q P D上以测量探针的扭转和弯 曲 0 r=fi a n(2 ),ta n ot=寺朋探 针 作 用 加 为 杨氏弹性模量，是横截面的转动惯量，Z 为激光束 的长度O 为探针倾斜角，r 为 Q P D测量到的光束 的偏移。罔5 扫描探针显微镜光学及测量 系统工作原理 扫描探针 显微镜是在 扫描隧道显 微镜基础 上 为 观察非导电物质经改进而发展起来的分子和原子级 显微工具。四象限探测器结合激光技术、微机械技 术以及计算机技术使得扫描探针显微镜达到了纳米 级分辨率，横向分辨本领可达到 0 1 0 2 n m，纵 向 分辨本领高达 0 0 1 n m：不但可以测量探针的位移，还可以测量探针的扭转和弯曲，从而实现了无需破 坏物体就可对其表面机械、电磁等性能的全面测量。与现有的其它显微T具对比，扫描探针显微镜以其 高分辨率、制样简单、操作易行等特点而备受关注，并已在生命科学、材料科学等领域发挥了重大作用，极大地推动了纳米科技的发展。5 四象 限光 电探 测 器在 空 间光通 信 中 的应 用 空问光通信是指利用光频作为信息载体在空域 进行的一种通信方式，可分为星际间光通信(I S L)和星地间光通信两类。空间光通信由激光光源子系统、发射 接收子系 统和捕获、跟踪与瞄准(A T P)子系统构成。对于 一个典型的卫星激光通信系统来说，其光束宽度约为 1 0 Ix r a d 因此跟瞄精度必须优于 5 t J,r a d。在实际设 计中，跟踪精度一般应优于 2 t x r a d 瞄准精度应优于 1 p r a d。这样高的跟瞄精度，加上复杂的工作环境 以及可靠性的要求，决定了 A T P系统的设计和实现 是卫星激光通信系统中一项非常关键且难度很大的 工程技术。作为整个 A T P系统中重要部分的光探测 器，一般选用电荷耦合器件(C C D)、四象限探测器(Q P D)和位置敏感器件(P S D)，以实现跟踪、瞄准 f 精跟踪)的目的2 5 1。A T P系统包括 粗瞄准 系统、精 瞄准 系统和预 瞄 准系统 3 个子系统，根据系统要求的不同，各个子 系统所使用的探测器也有所差异：捕获(粗跟踪)系统是在较大视场范围内捕获 目标，捕获范围可达 1 o +2 0。或更 大。通 常采用 C C D阵列来实现，并与带通光滤波器、信号实时处 理的伺服执行机构共同完成粗跟踪，即目标的捕获。粗跟踪的视场角为几 m r a d，灵敏度约为 l 0 p W，跟 踪精度为几十 m r a d。跟踪、瞄准(精跟踪)系统是在完成 目标捕获 后，对 目标进行瞄准和实时跟踪。通常采用 Q P D或 雪崩光电二极管(A P D)高灵敏度位置传感器来实 现，并配以相应的伺服控制系统。精跟踪要求响应 速度很快，采样频率一般在 k H z 以上 视场角为几 百 tx r a d，跟踪精度为几 I J,r a d，跟踪灵敏度大约为几 n W。表 4为 A T P系统中四象限探测器和 C C D探测 器的比较。由表可见四象限探测器可以达到 C C D探测器 r w o me i n f o c o rn c a 47 J a n 2 0 0 9 的跟踪和定位精度，虽然捕获视场角(例如 8 m r a d)和跟踪视场角(例如 0 4 m r a d)比 C C D小，但其信 号处理电路简单，克服了 C C D探测器电路复杂的缺 点。6 结 论 四象限探测器在激光制导中具有高制导精度的 优势，发展方向是以四象限探测器为主的多种制导 模式相结合的复合制导。在生物学研究的光镊系统 中四象限探测器不但使光镊实现了纳米级的三 自 参考文献 由度位移测量、皮牛顿级的力的测量，而且凭借四 象限探测器的高响应度使得光镊可以对微粒进行实 时操控。四象限探测器结合激光技术、微机械技术 以及计算机技术使得扫描探针显微镜达到了纳米级 分辨率，不但可以测量探针的位移 还可以钡 0 量探 针的扭转和弯曲，从而实现了无需破坏物体即可对 其表面机械、电磁等性能的全面测量。在空间光通 信中，四象限探测器可达到 C C D探测器的跟踪和定 位精度，克服了C C D探测器电路复杂的缺点。(N o 6)1】Wa c h t e n C，F r i e d r i c h L，M fi l l e r C，e t O1S e n s o r a r r a y f o r t r a c k i n g s y s t e ms【J J P r o c o f S P I E，2 0 0 7，6 7 1 6：6 71 6 0 I 2】隋修 武，张国雄，赵树忠，等 新型激光跟踪测 量系统 的设计 J 1 光 电工程，2 0 0 5，3 2(1)：2 3 2 6 【3】谭 千里 四象限探测器组件 在激光制导技术 中的应用 J 半导体光 电，2 0 0 5，2 6(2)：1 5 5 1 5 7 4】B a rt h J，F e n d t A，F l o r i a n R，e t o 1 Du a l-mo d e s e e k e r wi t h i ma g i n g s e n s o r a n d s e mi a c t i v e l a s e r d e t e c t o r J 1 P r o c o fS P I E，2 0 0 7，6 5 4 2：6 5 4 2 3 B 5】H o r i e K，We i G a o，K a t a k u r a K，e t o 1 H i g h-s p e e d p o s i t i o n i n g o f a s u r f a c e m o t o r-d r i v e n p l a n a r s t a g e J 1 P r o c o f S P I E，2 0 0 5，6 0 5 2：6 05 2 0 0 6 L i u Y，D e X u，Mi n T a n A n e w p r e-a l i g n m e n t a p p r o a c h b a s e d o n f lo u r q u a d r a n t p h o t o d e t e c t o r f o r I C m a s k】I n t e r n a t i o n a l u r n a l o f a u t o m a t i o n a n d C o m p u t i n g,2 0 0 7，4(2)：2 0 8-2 1 6 7 胥杰，赵尚弘，占生宝 激光制导四象限光电二极管的选择 f J 1 激光杂志，2 0 0 7，2 8 0)：2 0 2 2 8 陈世伟 激光制导技术发展概述 J J 制导与 引信，2 0 0 7，2 8(3)：1 0 1 5 9】赵江，徐锦，徐世 录 激 光制导武器 J 飞航 导弹，2 0 0 6，6：2 6 2 8 【1 0】J o c h e n B a r t h，A l f r e d F e n&，R o lf F l o r i a n D u a l m o d e s e e k e r w i t h i m a g i n g s e n s o r a n d s e mi a c t i v e l a s e r d e t e c t o r【J J P r o c S P I E，2 0 0 7，6 5 4 2：6 5 4 2 3 B 【1 1 王狂 飙 激光制导武器 的现状、关键技术 与发展 J 红外与激光工程，2 0 0 7，3 6(5)：6 5 1 6 5 5 1 2】姚 秀娟，彭晓乐，张永科 几种精确制导技术简述 J 激 光与红外，2 0 0 6，3 6(5)：3 3 8 3 4 0 1 3】A s h k i n A A c c e l e r a t i o n a n d t r a p p i n g o f p a r t i c l e s b y r a d i a t i o n p r e s s u r e J 脚s c a R e v ie w L e t t e r s，1 9 7 0，2 4：l 5 6-1 5 9 1 4 A s h k i n A，D z i e d z i c J M，B j o r k h o l m J E O b s e r v a t i o n o f a s i n g l e b e a m g r a d i e n t f o r c e o p t i c a l t r a p f o r d i e l e c t r i c p a r t i c l e s J 1 O p t i c s L e t t e r s，1 9 8 6，1 1：2 8 8 2 9 0 1 5】L i l i a n a d e Ys a s a P o z z o，A d r i a n a F o n t e s，An d r 6 A d e T h o ma z L e i s h ma n i a a ma z o n e n s i s e h e mo t a x i s u n d e r g l u c o s e gra d i e n t s t u d i e d b y t h e s t r e n g t h a n d d i r e c t i o n a l i t y o f f o r c e s m e a s u r e d w i t h o p t i c a l t w e e z e r s J P r o c S P I E,2 0 0 7，6 4 41：6 4 41 1 R 1 6】G a j e n d r a P S i n g h，G i o v a n n i V o l p e，R a u l A H a n o G r o w t h o f s i n g l e y e a s t c e l l s i n a n o p t i c a l t r a p m o n i t o r e d b y R a y l e i g h a n d R a m a n s c a t t e r i n g J P r o c S P I E，2 0 0 6,6 3 2 6：6 3 2 6 2 9 1 7】F i l i p p I g n a t o v i c h，A c h i m H a rt s e h u h，L u k a s N o v o t n y，e t a 1 N a n o p a r t i c l e s e n s o r b a s e d o n o p t i c a l g r a d i e n t f o r c e J】S u p p o r t e d b y D A R P A u n d e r G r a n t N o M D A 9 7 2 0 0 1 0 0 2 1 1 8 F r a n q o i s B o r d e l e a u，J u d i e a l B e s s a r d，N o r m a n d Ma r c e a u，e t a 1 P h o t o n i c f o r c e mi c r o s c o p y o f l o c a l t e n s i 0 n a t c e l l s u r f a c e f o c a l a d h e s i o n s 】P r o c S P I E,2 0 0 6，6 3 4 3，6 3 4 3 0 A 1 9 陈洪涛，李银妹，楼立人，等 光镊技术 中的纳米位移探测及其测量误差讨论 J 1 中国激光，2 0 0 4，3 1(6)：7 2 9 7 3 4 2 0 J a k o b K i s b y e D r e y e r,K i r s t i n e B e r g-S C r e n s e n，L e n e O d d e r s h e d e I m p r o v e d a x i a l p o s i t i o n d e t e c t i 0 n i n 0 D t i e a l t w e e z e r s m e a s u r e me n t s J A p p l ic d O p t i c s，2 0 0 4，4 3(1 0)：1 9 9 1 1 9 9 5 2 1】Mi n g T z o We i，A rt h u r C h i o u T h r e e-d i m e n s i o n a l t r a c k i n g o f B r o w n i a n mo t i o n o f a p a r t i c l e t r a p p e d i n o p t i c a l t we e z e r s wi t h a p a i r o f o r t h o g o n a l t r a c k i n g b e a ms a nd t he d e t e r mi n a t i o n o f t h e a s s o c i a t e d o pt i c a l f o r c e C O n s t a n t s J O p t i c s E x p r e s s，2 0 0 5，1 3(1 5)：5 7 9 8 5 8 0 6 2 2】李银妹，楼立人 生命 科学研究 中的光镊技术 J 生命 科学仪 器，2 0 0 4，2(4)：3-9 2 3】Mi n g T z o We i，S h a n g L i n g L i u，T e-Y u T s e n g，e t a 1 F r o m o p t i c a l t w e e z e r s t o o p t i c al f o r c e d o s c i l l a t i o n：P r i B e i p l e s a n d p o t e n t i al b i o m e d i c a l a p p l i c a t i o n s J P r o c S P I E，2 0 0 7，6 4 4 7：6 447 0 7 一 1 2 4】D o r o z h o v e t s N，H a u s o t t e T，Ma n s k e E，e t a 1 M e t r o l o g i c al s c a n n i n g p r o b e m i c r o s c o p e J J P r o c S P I E，2 0 0 6，6 1 8 8：61 8 8 0 L 2 5 张瑞君 空间光通信用光探测器及其发展现状 与趋势 J 光子技术，2 0 0 5，8(2)：4-8 w w w Joamnei n2fOo0c om cn-|49 Ja n 2 O 0 -一