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
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。

 
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。
 
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。
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
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
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
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

· 使用时间平均模式
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。

彩蛋环节:应用实例分享

下面再举一些脉冲测试的案例,让大家有个直观的认识(对应型号:AQ6370D)
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。

结语

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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