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如何正确测试脉冲光？
2021-03-10 15:44:02· 来源：横河测试测量 作者：YOKOGAWA
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
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。
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。
OSA三种测量模式的功能介绍
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
|
||
|
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。
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。
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
|
|
|
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。
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。
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。
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
|
|
|
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
|
||
|
400 – 550
nm
|
550 – 1100
nm
|
400 – 550
nm
|
550 – 1750
nm
|
||||||
|
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
|
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
|
||
|
400 – 550
nm
|
550 – 1100
nm
|
400 – 550
nm
|
550 – 1750
nm
|
||||||
|
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
|
注：这里的最大安全输入功率是指设备最大能承受的功率，不代表设备可以测试到的最大功率。最大安全功率与最大输入功率(可测量到的值)不要搞混了。
总结归纳
时间平均模式是测量脉冲光最简单，最灵活的方法。
· 当遇到时间平均模式的问题时，可以考虑外部触发模式和峰值保持模式
对于不规则的脉冲光的情况——
由于峰值功率与占空比的关系，平均功率低于测量灵敏度，无法测量的情况。
由于重复频率很低，需要高灵敏度设置，所以测量时间太长的情况。
· 外部触发模式或峰值保持模式
通过脉宽和所需的灵敏度设置来确定是否合适。
根据是否有外部触发和最小脉宽来选择一个。
1. 脉冲宽度100μs，脉冲峰值功率0.1W，重复频率1kHz
-
根据脉宽条件选择三种测量模式的任意一种。如果有外部触发信号，选择“外部触发”模式。否则，选择“峰值保持”模式。
-
对于外部触发和峰值保持模式，请确保脉冲峰值功率低于“最大输入功率”
2. 脉冲宽度50μs，脉冲峰值功率0.1W，重复频率1kHz
-
根据脉宽条件选择“时间平均”或者“外部触发”模式。如果有外部触发信号，选择“外部触发”模式，因为速度会较快。
-
在“外部触发”的情况下，确保脉冲峰值低于最大输入功率。
-
在“时间平均”的情况下，根据重复频率条件，设置灵敏度High2以上。
3. 脉冲宽度1μs，脉冲峰值功率0.1W，重复频率1kHz
-
根据脉宽条件选择“时间平均”模式。
-
根据重复频率，将灵敏度设置为High2以上。
4. 脉冲宽度1ns，脉冲峰值功率10W，重复频率1kHz
-
根据脉宽条件，选择“时间平均”模式。
-
根据脉宽条件(＜1us)，最大峰值功率没超过316W，平均功率不超过最大输入功率。
-
根据重复频率，将灵敏度设置为High2以上。
5. 850nm波段脉冲光测试实际光谱
脉宽: 1μs, 重复周期: 1 kHz, 占空比: 0.1%使用时间平均模式测试获取以下光谱。
看完这些您对横河的光谱仪是不是有了一个新认识呢？相信您再次面对脉冲信号测量时就不会束手无策了吧。
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