如何正确测试脉冲光？

2021-03-11 来源： YIQIFUWU宜器服务网阅读量 :

近期热点话题.png

最近经常接到光电行业攻城狮朋友抛过来的难题——对于脉冲测量过程中由于峰值功率过高、脉冲频率高低不同、脉宽有宽有窄等问题，他们不知道如何应对，既担心输入功率过高损害光谱仪，又担心脉冲信号导致光谱结果不稳定

今天，我们就来谈一谈如何正确使用横河光谱仪测试脉冲信号。

文末有彩蛋，请耐心阅读。

看点.png

Part.1

脉冲光用在哪里？

半导体激光器通过驱动电流来实现发光，然而，驱动电流会使半导体激光器芯片本身产生热量，热量堆积会产生以下几种结果：

第一，导致输出波长发生变化(俗称温漂)；第二，会导致激光器的热饱和，无法激发最大输出功率，随着热量的不断堆积，甚至还会损坏激光器。为了避免这种情况，脉冲驱动光发射被广泛使用。

另外，用于材料加工行业的激光器，为了产生大功率的激光束，需要积蓄一定时间的功率，然后用短脉冲发射。这些激光器的脉冲驱动条件是根据不同应用，设计重复频率和占空比。

要精确驱动脉冲光，就必须准确测量脉冲光。横河光谱分析仪(以下简称OSA)是行业公认的脉冲光测试利器！我们首先需要了解OSA的特点，然后才能选择合适的测量方法，并进行正确的设置。

心电图.gif

Part.2

使用OSA测量脉冲光是挑战？

OSA在扫描时会对特定波长段的总功率进行采样和测量，并以光谱的形式显示,测试脉冲信号时，通常OSA可能会显示出以下这种分段或者波浪形的光谱。

而横河光谱仪属于衍射光栅型光谱仪，对于测试脉冲光有独特优势，可以避免出现这种光谱形式，可以采用以下三种测量模式：

1.时间平均光谱测量(Time Average，即普通模式)

2.外部触发同步测量(External Trigger Synchronous)

3.峰值保持测量(Peak Hold)

测量模式	AQ6360	AQ6370 AQ6373 AQ6374	AQ6375 AQ6376 AQ6377
时间平均光谱测量	●	●	●
外部触发同步测量		●	○
峰值保持测量		●	○

●: 有; ○: 可用(有条件); 空白: 无.

注：在使用高动态范围“CHOP”模式的AQ6375，AQ6376，AQ6377的High1、High2、High3中，外部触发和峰值保持测量不可用。

测试员.jpg

Part.3

OSA三种测量模式的功能介绍

第一种，时间平均模式下的脉冲光测量（正常模式）

在时间平均模式下，OSA测试的是脉冲光的平均功率，以各波长的光功率来测量。当脉冲光为方波时，测得的平均光功率计算为:

(光脉冲峰值功率[mW])x(脉冲光的占空比)

因此，脉冲光的占空比越小，测得的功率越小。为了在这种测量模式下正确测量平均功率，重复频率必须高到一定程度。否则，可能需要设置高灵敏度或者通过增加平均次数来测量。

通过重复频率对灵敏度设置的限制如下：

脉冲重复频率：MHz
在脉冲频率很高的情况下，即使灵敏度较低(NORM HOLD)，因为OSA中检测电路的响应速度比较低，这样它可以把待测信号当作连续波一样来测量。因此，只要根据平均功率设置灵敏度即可。
脉冲重复频率：kHz
对于kHz级的脉冲重复频率，由于脉冲光造成的on/off失真可能会很明显，这种影响可以通过高灵敏度的设置和减慢检测电路的反应速度(增加平均次数)来消除。因此，设置灵敏度的同时考虑平均功率和重复频率。
脉冲重复频率：Hz
如果脉冲重复频率很低，根据重复频率提高灵敏度设置。如果高灵敏度设置仍不能消除光谱的失真，可以增加平均次数。假设平均次数为n，则各灵敏度设置的最小重频乘以1/n，但增加平均数会明显降低测量速度，所以仅在最高灵敏度设置不够时使用。

不同型号光谱仪可以根据以下表格，来判定最低的重复频率。

灵敏度设置	最小重复频率
灵敏度设置	AQ6360	AQ6370 AQ6373 AQ6374	AQ6375 AQ6376 AQ6377
NORM/HOLD	1 MHz	200 kHz	200 kHz
NORM/AUTO	1 MHz	100 kHz	100 kHz
NORMAL	200 kHz	33 kHz	33 kHz
MID	50 kHz	10 kHz	10 kHz
HIGH1	10 kHz	3.3 kHz	1 MHz
HIGH2	2 kHz	660 Hz	1 MHz
HIGH3	N/A	160 Hz	1 MHz

注：AQ6375/76/77的High1-3为高动态范围模式(CHOP已打开)，平均化不会降低最小重复频率。

第二种，外部触发模式下的脉冲光测量

外部触发模式是使用外部触发信号来控制OSA测量的模式，通过向OSA提供与光脉冲信号同步的外部触发信号，可以采集光脉冲的峰值。一个脉冲信号获取一个采样点数据。

最小脉宽条件（for外部触发模式）

外部触发模式需要至少50μs的脉宽才能捕捉到光脉冲的峰值。此外，最小脉宽取决于所使用的测量灵敏度，灵敏度越高，捕获峰值的最小脉宽越高。因此，这种模式是否合适主要由待测脉冲信号的宽度决定。

灵敏度设置	最小脉宽
灵敏度设置	AQ6370 AQ6373 AQ6374	AQ6375 AQ6376 AQ6377
NORM/HOLD	50μs	50μs
NORM/AUTO	300μs	300μs
NORMAL	1ms	1ms
MID	3ms	3ms
HIGH1	10ms	-
HIGH2	50ms	-
HIGH3	200ms	-

上面表格显示了每个灵敏度设置下可测量的最小脉冲宽度。

注：

AQ6375/76/77的HIGH1-3是大动态模式(CHOP开启)。

AQ6360没有触发模式。

外部触发和定时调整

根据设定，可以设置外部触发信号的上升沿(或下降沿)触发，测量1个点。根据需要调整时间，以正确捕捉光脉冲的峰值。OSA从触发到测量约有70μs的延迟，可以设置0~1000μs范围内增加延迟时间的功能。

第三种，峰值保持模式下的脉冲光测量

峰值保持模式(Peak Hold)是一种不需要外部触发信号的测量模式，在该模式下，在指定的时间内记录每个测量波长的检测信号，并将该时间内采集的数据的最大值作为该测量波长的功率。记录信号的周期称为“保持时间”，“保持时间”的设置需大于脉冲重复周期。需在一个“保持时间”内至少有一个测试脉冲信号被扑捉到。该模式可以测试到的最小频率为0.1Hz光脉冲信号。

最小脉宽条件（for峰值保持模式）

峰值保持模式需要至少100μs的脉宽才能捕获光脉冲的峰值。此外，最小脉冲宽度取决于所使用的测量灵敏度设置，灵敏度越高，捕获峰值的最小脉宽越宽。因此，这种模式是否合适主要是由待测脉冲宽度决定的。根据下表判断最小脉冲宽度与灵敏度的关系。

灵敏度设置	最小脉宽
灵敏度设置	AQ6370 AQ6373 AQ6374	AQ6375 AQ6376 AQ6377
NORM/HOLD	50μs	50μs
NORM/AUTO	300μs	300μs
NORMAL	1ms	1ms
MID	3ms	3ms
HIGH1	10ms	-
HIGH2	50ms	-
HIGH3	200ms	-

上面表格显示了每个灵敏度设置下可测量的最小脉冲宽度。

注：

AQ6375/76/77的HIGH1-3是大动态模式(CHOP)。

AQ6360没有峰值保持模式。

光输入功率条件

时间平均模式，OSA会捕获光脉冲的平均功率，可以测量峰值功率超过1W的高功率脉冲光，但不能测试平均光功率超过OSA最大规格的脉冲光。

外部触发模式，OSA会捕获光脉冲的峰值功率，因此不能测试超过OSA最大输入功率规格的光脉冲。

峰值保持模式，OSA会捕获光脉冲的峰值功率，因此不能测试超过OSA最大输入功率规格的光脉冲。

*最大输入功率是指每个测量分辨率的最大光谱功率。

Max. 输入功率	AQ6360	AQ6370	AQ6373		AQ6374		AQ6375	AQ6376	AQ6377
Max. 输入功率	AQ6360	AQ6370	400 – 550 nm	550 – 1100 nm	400 – 550 nm	550 – 1750 nm	AQ6375	AQ6376	AQ6377
dBm	+20	+20	+10	+20	+10	+20	+20	+13	+13
W	0.1	0.1	0.01	0.1	0.01	0.1	0.1	0.02	0.02

重要知识.png

当我们使用很窄脉宽时，往往信号的峰值功率会很高，可能会到几瓦甚至几十上百瓦都有可能，如何判断设备可以接收该功率呢？这里介绍一些特定条件下的脉冲光功率相关的情况。
当脉冲宽度超过1μs时

脉冲峰值功率不得超过OSA最大安全输入功率(但不保证能测量)。

当脉冲宽度小于或等于1μs时

脉冲峰值功率不得超过316W。

平均功率不得超过OSA最大安全输入功率(但不保证能测量)。

平均功率计算方法：

脉冲峰值功率(W)x脉冲宽度(s)÷重复周期(s)

或脉冲峰值功率(W)x脉冲宽度(s)x重复频率(Hz)

最大安全输入功率	AQ6360	AQ6370	AQ6373		AQ6374		AQ6375	AQ6376	AQ6377
最大安全输入功率	AQ6360	AQ6370	400 – 550 nm	550 – 1100 nm	400 – 550 nm	550 – 1750 nm	AQ6375	AQ6376	AQ6377
dBm	+25	+25	+10	+20	+10	+20	+25	+20	+20
W	0.316	0.316	0.01	0.1	0.01	0.1	0.316	0.1	0.1