優(yōu)化低光信號(hào)測(cè)量的幾個(gè)初始步驟

原創(chuàng) insights Thorlabs索雷博 2022-12-21 12:00 發(fā)表于上海

測(cè)量低功率光信號(hào)時(shí),，通過(guò)以下方法可優(yōu)化測(cè)量結(jié)果：

● 盡量減小環(huán)境光，比如關(guān)燈

● 防止反射和散射光進(jìn)入探頭

● 確保光斑處于探頭有源區(qū)

● 設(shè)置表頭的 zui,佳 動(dòng)態(tài)范圍

● 在環(huán)境光條件下使用歸零功能

完成這些初始步驟可以減小功率測(cè)量誤差,、確保探頭始終測(cè)量到完整光束的功率,、并針對(duì)實(shí)驗(yàn)條件完成 zui,佳 的表頭參數(shù)設(shè)置,。

測(cè)量功率需要探頭&表頭

環(huán)境光

除了光學(xué)系統(tǒng)中的光束,，其它來(lái)源的光都是環(huán)境光,。室內(nèi)燈光通常是環(huán)境光的 zui,主要 來(lái)源，但也有一部分來(lái)自顯示屏和儀器的LED指示燈,。環(huán)境光之所以會(huì)干擾測(cè)量結(jié)果,，這是因?yàn)殡S著操作人員的移動(dòng)、指示燈的閃爍和顯示屏的變化,，環(huán)境光都可能變化,。

環(huán)境光可能使功率讀數(shù)虛高、干擾低功率信號(hào)的探測(cè)或使探頭飽和,。探頭飽和后將輸出接近或達(dá)到 zui,高 水平的信號(hào)，并且對(duì)超額的入射光要么不響應(yīng),，要么響應(yīng)很差,。如果環(huán)境光功率雖然不會(huì)使探頭飽和，但又遠(yuǎn)高于光信號(hào)功率,，這樣探頭也可能無(wú)法探測(cè)到信號(hào),。

為了減小環(huán)境光，我們可以關(guān)閉室內(nèi)燈光,、將裝置安裝在不透光的罩殼中,、遮蓋顯示屏或使之背對(duì)探頭、關(guān)閉LED或用黑色膠帶遮擋LED,，諸如此類,。如下圖所示，在探頭前端加一個(gè)透鏡套筒也能 you,效 地阻擋環(huán)境光,。

雜散光

系統(tǒng)中的光束可能發(fā)射散射,、折射或衍射，從而產(chǎn)生雜散光,。由于雜散光可能和不同的光學(xué)元件發(fā)生多次相互作用,，還可能和主光路重疊,，因此預(yù)測(cè)并阻擋雜散光一般比較難。雜散光對(duì)信號(hào)測(cè)量的影響和環(huán)境光差不多,。

阻擋雜散光的 zui,佳 方法取決于光束軌跡和裝置,。和主光路不重合的雜散光是 zui,好 xiao,除 的。光束以小角度入射時(shí)能使反射光偏離主光路,，但這種方法只適合對(duì)光學(xué)元件非正入射不敏感的應(yīng)用,。

楔形窗口片的反射光

與入射光不共線

當(dāng)信號(hào)光和雜散光的夾角較大時(shí)，在探頭上安裝一個(gè)透鏡套筒能阻擋雜散光,。如果角度較小,，在探頭前加一個(gè)光闌可阻擋雜散光但透過(guò)信號(hào)光。另一種方法是把探頭移到更遠(yuǎn)的地方,。距離越遠(yuǎn),，信號(hào)光和雜散光分隔越大，這樣雜散光要么無(wú)法入射到探頭上,，要么在功率測(cè)量結(jié)果中的占比可被忽略,。

探頭和光束的重合度

如果光束直徑超出探頭有源區(qū)，信號(hào)功率的測(cè)量值將低于實(shí)際值,。需要注意的是,，高斯光束一般采用1/e2直徑，其中只包含約86%的光束功率,，而包含99%功率需要1.5倍于1/e2直徑的光束直徑,。

在理想情況下，光束要打在探頭有源區(qū)的中心,，否則更容易產(chǎn)生測(cè)量誤差,。比如使用反射式中性密度濾光片時(shí)，前表面散射將使光束直徑變大,，這樣光斑更容易超出有源區(qū),，所以入射角 zui,好 小于3度。因?yàn)樘筋^在光斑偏出時(shí)仍能測(cè)到功率,，我們可能無(wú)法立即發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,。因此，在測(cè)量前要檢查光束是否打在有源區(qū)內(nèi),。

正確的角度                     偏差的角度

如果光束在測(cè)量過(guò)程中是不 wan,全 靜止,，那么光束可能有時(shí)處于有源區(qū)內(nèi)，有時(shí)超出有源區(qū),。例如,，繞光軸旋轉(zhuǎn)光學(xué)組件時(shí)光斑就可能偏移。對(duì)于非正入射的光學(xué)元件表面尤其要注意這個(gè)問(wèn)題,。大面積探頭可能更適合運(yùn)動(dòng)的光斑,。

光束方向因?yàn)楣鈱W(xué)元件旋轉(zhuǎn)而改變,，可能導(dǎo)致測(cè)量誤差。

由于入射光方向變化,，光斑有時(shí)會(huì)偏出左側(cè)探頭的有源區(qū),，但一直處于右側(cè)探頭的有源區(qū)。

探頭的動(dòng)態(tài)范圍

探頭動(dòng)態(tài)范圍是指它能測(cè)量的入射光功率范圍,，而信號(hào)功率 bi,須 處于探頭的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)才能得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果,。

探頭可探測(cè)的 zui,小 光功率水平取決于本底噪聲，即,，在探頭沒(méi)有光入射時(shí)表頭報(bào)告的信號(hào)功率,。此信號(hào)來(lái)自整個(gè)探測(cè)系統(tǒng)中的噪聲，包括探頭,、表頭,、電纜、放大器,、濾波器等等,。探頭對(duì)入射信號(hào)的響應(yīng)只有超過(guò)噪聲時(shí)才能探測(cè)到信號(hào)。信號(hào)越弱,，信噪比越低,。當(dāng)信號(hào)響應(yīng)接近本底噪聲時(shí)，測(cè)量準(zhǔn)確度可能很差,。

功率探頭 zhi,定 的 zui,大 入射功率規(guī)格一般低于飽和強(qiáng)度,。使用探頭時(shí)建議入射功率要遠(yuǎn)低于飽和強(qiáng)度閾值，因?yàn)榻咏撝禃r(shí),，探頭響應(yīng)將變成非線性,，并可能使測(cè)量值偏低，所以實(shí)際的光束功率可能超過(guò)功率限制而導(dǎo)致問(wèn)題,。當(dāng)入射功率高于飽和強(qiáng)度時(shí)，測(cè)量讀數(shù)通常會(huì)在某個(gè) zui,大 值保持不變,。檢查飽和的一種方法是稍微增加信號(hào)功率,，如果讀數(shù)不變或變化遠(yuǎn)小于預(yù)期，則探頭可能已經(jīng)飽和,。

表頭的歸零

設(shè)置表頭的歸零時(shí),，擋住光源但不要擋住探頭。我們可以在測(cè)量光路中放一個(gè)光擋,，但它的位置不能太靠近探頭,，使探頭暴露在全部的環(huán)境光中。這樣在設(shè)置歸零后,，環(huán)境光功率就會(huì)從測(cè)量結(jié)果中被減去,。

森泉為您的科研事業(yè)添磚加瓦：

激光控制：激光電流源,、激光器溫控器、激光器控制,、伺服設(shè)備與系統(tǒng)等等

探測(cè)器：光電探測(cè)器,、單光子計(jì)數(shù)器、單光子探測(cè)器,、CCD,、光譜分析系統(tǒng)等等

定位與加工：納米定位系統(tǒng)、微納運(yùn)動(dòng)系統(tǒng),、多維位移臺(tái),、旋轉(zhuǎn)臺(tái)、微型操作器等等

光源：半導(dǎo)體激光器,、固體激光器,、單頻激光器、單縱模激光器,、窄線寬激光器,、光通訊波段激光器、CO2激光器,、中紅外激光器,、染料激光器、飛秒超快激光器等等

光機(jī)械件：用于光路系統(tǒng)搭建的 gao 品 zhi 無(wú)應(yīng)力光機(jī)械件,，如光學(xué)調(diào)整架,、鏡架、支撐桿,、固定底座等等

光學(xué)平臺(tái)：主動(dòng)隔振平臺(tái),、氣浮隔振臺(tái)、實(shí)驗(yàn)桌,、剛性工作臺(tái),、面包板、隔振,、隔磁,、隔聲綜合解決方案等等

光學(xué)元件：各類晶體、光纖,、偏轉(zhuǎn)鏡,、反射鏡、透射鏡,、半透半反鏡,、濾光片、衰減片,、玻片等等

染料：激光染料,、熒光染料,、光致變色染料、光致發(fā)光染料,、吸收染料等等