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改进低功率光信号功率测量的方法

发布时间:2023-05-06

通过以下方式可以改进低功率光信号的测量:zui大程度减小环境光、防止反射光和散射光入射到功率探头(光电传感器)、确保光斑保持在探头有源区内、优化配置功率计的动态范围以及在环境光条件下执行功率计的调零操作。这些方式的目标是为尽量减少杂散光源对功率测量的影响,确保探头可连续测量完整光束传递的功率,并针对实验情况优化功率计配置。

一、环境光

环境光是指除光学系统的光束外,其他所有光源产生的光。很多情况下,室内灯光是环境光的主要来源,但也有很大一部分来自计算机屏幕和其他显示器以及仪器的发光二极管(LED)指示灯。环境光比较麻烦的一个方面是其在测量过程会随着操作员的移动、指示灯的闪烁和屏幕显示的变动而改变。

环境光的影响包括夸大功率读数、干扰低功率信号的探测以及使探头饱和。探头饱和时,探头输出信号将接近或处于zui大可能电平。因环境光而饱和的探头会对入射光信号中的额外功率无法响应或响应不佳。如果环境光水平低至可避免饱和,但相对于信号中的主要光功率,环境光水平又足够高,使得光功率被忽略不计,那么所需信号也可能无法探测。

zui大程度减小环境光的选项包括关闭室内灯、将装置安装在不透光的罩壳中、遮盖显示器或将屏幕背朝探头、和/或关闭LED或用黑色胶带遮挡LED。

二、杂散光

系统中的光束会在装置中的光学元件和机械外壳上发生散射、折射和/或衍射,从而产生杂散光。杂散光路径可能难以预测和阻挡,因为这种光可能会与不同的光学元件多次相互作用并与主光束路径重叠。杂散光对所需信号测量的影响类似于环境光。

阻挡杂散光的zui佳方法取决于光束轨迹和装置,并且通常需要使用多种技巧。zui容易消除的是不遵循光束路径的杂散光。通过旋转光学表面以偏离入射光束的正入射方向,可使反射光远离光路。然而,这种选择只适用于对光学元件非零入射角不敏感的应用。

当信号光和杂散光路径之间的角度足够大时,连接至探头的透镜套筒可用于阻挡杂散光。如果杂散光和信号路径之间的角度很小,一种选择是在探头前放置光阑以阻挡杂散光,同时可通过所需信号。另一种选择是将探头移至更远处。当距离足够远,所需信号光和杂散光之间的距离会增加,而杂散光将无法入射到功率探头,或对功率测量的影响可忽略不计。

三、功率探头尺寸和导光余量

如果信号光束的直径大于功率探头的有源区,则所测信号功率会降低。请注意,1/e2光束直径通常针对高斯光束而测量和指定,其中包含约86%的光束功率。当直径为1/e2直径约1.5倍时,则包含99%的光束功率。

理想情况下,光束可通过对齐以位于探头的有源区中心。如果光束未与探头的中心对齐,则测量错误的几率会增加。如果光斑超出探头的有源区,则功率测量值会变低。如果部分光束与有源区重叠,因为会测到一些信号功率,所以可能不会立即发现问题。因此,我们建议在测量之前检查光束和有源区是否重叠。

如果功率探头上的光斑在测量过程中没有保持完全静止,那么,光束和功率探头之间的不完 美重叠可能会是一个瞬态问题。例如,如果在测量时需要绕光轴旋转光学组件,则光斑可能会偏移。如果光学元件的正面和背面不垂直于光束路径,这也是一个需要关注的问题。大面积功率探头可适用于移动的光斑。

三、功率探头动态范围内的信号

探头动态范围是指适用于探头的zui小到zui大的入射光功率范围。准确的测量要求信号功率在探头的动态范围内。

本底噪声通常定义了zui小可探测的光功率水平。本底噪声是指在绝 对没有光入射到功率探头时,功率计报告的信号功率。此信号来自整个探测系统中的噪声,包括功率探头、功率计、电缆、放大器、滤波器和所有其他组件。除非信号光功率足以引起超过本底噪声的响应,否则无法探测到入射信号。当信号响应接近本底噪声时,测量精度可能会很差。接近本底噪声的信号具有低信噪比(SNR),即所需信号功率除以噪声功率。

功率探头的制造商通常会将zui大入射功率水平指定为低于所谓饱和强度的阈值。建议在远低于饱和强度阈值的情况下使用探头,因为当接近阈值时,探头响应会变为非线性,且可能导致功率测量值低于探头中的入射功率。从而导致光束功率无意中超过应用程序的工作功率上限,这会是一个严重的问题。入射功率高于饱和强度时,测量读数一般会是一个恒定的zui大值。检查饱和的一种方法是在监测功率读数的同时稍微增加信号功率。如果读数保持不变,或变化远小于预期,则探头可能已饱和。

四、功率计调零至环境光水平

阻挡所需信号到达探头,并在不遮盖功率探头的情况下进行调零操作。这可以通过使用集成快门(如果有)在光源处阻挡信号来完成,或将光挡直接放置在光源前。重要的是,光挡不要太靠近探头,因为在调零过程中,功率探头应该暴露在测量期间的完整环境光水平下。完成调零后,可从信号功率测量中减去环境光功率。如果在调零时探头被遮盖,则环境光功率会被加到信号功率中。

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