应对低功耗、脉冲或调制光源的测量挑战

日期：2023-10-10 浏览量：189

▍概述

                          

传统上，功率计与光电二极管或热电堆探测器一起用于连续波（CW）光源，用于平均功率测量，而能量计和热释电探测器则用于脉冲激光束应用。

光子学技术的最新进展将应用范围扩大到许多不同的领域。越来越多的复杂多样的光源被设计到各种系统和实验装置中。这些复杂的光源推动了对更灵敏和多功能的功率测量能力的需求，其精度前所未有。

测量低平均功率脉冲光源尤其具有挑战性，例如LED或低功率激光二极管，尤其是当电气设计人员不知道光源的详细光学特性时。除了平均光功率之外，关于光源的许多其他参数也很重要。例如，光信号是什么样子的？需要形状、频率和功率电平等关键信息来确定系统功率预算和整体系统性能，以及验证低成本组件的有效性。识别检测器或检测系统将测量哪些信号特性也很重要。研究人员和工程师对信号的脉冲宽度和脉冲形状感兴趣。

通常，人们会使用光学功率计来测量脉冲能量或平均功率，方法是使用仪表和国家标准与技术研究所（NIST）校准的检测器。连接到示波器的偏置检测器将用于确定脉冲形状并测量频率和其他时间信息。 

功率计技术的最新发展现在已经实现了正规的时间信号测量，无需使用多种仪器。市场上最先进的功率计之一由Newport Corporation设计，型号为2936-C。这种最先进的双通道光功率计具有几个复杂的功能，允许用户实现各种测量，包括高达250 kHz的脉冲频率测量（见图1）。 

图1：Newport公司的2936-C型光功率计带有918D系列光电二极管，可以对脉冲或调制光输入以及连续波进行各种测量。 

▍模拟和数字滤波                

     

模拟滤波器是在光功率计上实现的电子低通滤波器，而数字滤波器对最近的10、100、1,000或10,000个样本进行平均。2936-C光功率计具有可选择的5 Hz、1 kHz、12.5 kHz和250 kHz低通滤波器。光功率计本质上是一个具有非常低噪声和高精度的安培计。因此，适当的滤波器设置将对光功率计的信号响应产生巨大影响。对于调制/脉冲光源的最佳CW测量或平均功率测量，将使用最重的滤波，即带有5 Hz模拟滤波器的10,000点数字滤波器。对于调制或脉冲信号，必须选择适当的模拟滤波器以获得最佳波形，而根本不能使用数字滤波器。此外，在脉冲或调制输入信号上应用数字和模拟滤波器可以有效地平均信号。

▍统计和时间图           

强大的统计测量能力，如平均值，最小值，最大值和均方差是当今许多光学功率计的标准功能。使用光电二极管检测器，Newport的2936-C功率计可以每0.1毫秒记录一个数据点，每个通道最多250,000个数据样本，可以轻松存储在USB拇指驱动器上，以便使用Excel等电子表格程序进行进一步分析。此外，可以直接从仪表显示器以类似示波器的时间图查看收集的数据，如图2所示。人们可以很容易地看到输入信号是否是预期的形式，或者是否由于过于沉重的模拟滤波，过多的噪声或任何其他外部影响而失真。 

图2：内部样本存储器存储的数据的时间图.。 

▍峰峰值和均方根测量

借助2936-C的快速250 kHz采样率，可以在峰到峰模式下测量调制和脉冲信号。功率计将确定给定时间窗口内的最大值和最小值之间的差异，该差异可以由用户定义。对于功率计的不同测量范围，带宽和噪声水平之间存在权衡。因此，当使用大带宽范围时，重要的是被测量的信号具有足够大的功率，以确保良好的信噪比。RMS（均方根）测量是2936-C光功率计中可用的另一种测量模式。

▍触发

当测量与外部事件同步时，触发是一个特别有用的功能。通常，外部事件会产生脉冲光输出，其值可以在CW或峰值到峰值模式下测量。在Newport 2936-C功率计中，可以将触发器设置为响应外部晶体管-晶体管逻辑电路（TTL）信号、用户按下软键触发器或计算机命令。

▍测试和结果

为了说明Newport光功率计的一些特性和功能，以50%占空比运行了一系列测试，以比较Newport 818-BB-21快速偏置检测器和Newport 818-SL/DB半导体检测器的性能。所有测试的重复率为1 kHz，脉冲宽度为500μs。

我们将818-BB-21探测器直接连接到示波器的通道1。818-SL/DB探测器连接到2936-C光功率计。然后我们将2936-C的模拟输出连接到示波器的通道2。

在50%的占空比下，当比较818-BB-21的输出和2936-C的模拟输出时，我们注意到几乎相同的波形（见图3）。为了测量连续波功率，我们使用了设置为10,000个样本的2936-C数字滤波器和设置为5 Hz的模拟滤波器。2936-C测量的连续波功率为67.76μW，峰间功率为134.5μW。2936-C测量的峰值功率（无滤波器，手动范围模式）与理论峰值功率非常一致。

图3：脉冲光信号的测量比较，1 kHz重复率和50%占空比，由Newport型号818-BB-21偏置检测器（顶部波形）和818-SL/DB（底部波形）硅光电二极管检测器测量.。 

总之，光功率计技术的最新改进使得更复杂的测量成为可能，例如低功率脉冲或调制光源的功率测量。我们使用纽波特光功率计和快速偏置检测器构建了一个简单的脉冲光源测量。清晰地展示了可比脉冲形状和由此产生的NIST可追溯的连续测量模式下的平均光功率和峰峰值模式下的振幅。