本文檔描述了測(cè)量低頻脈沖激光源平均功率所涉及的固有問(wèn)題，并描述了許多 Ophir 設(shè)備和儀表上提供的“低頻功率模式”來(lái)解決這些問(wèn)題。它描述了如何使用新模式，并提到了一些獲得最佳結(jié)果的技巧。

VCSEL光源在過(guò)去幾年中變得非常流行，并被用于智能手機(jī)和其他產(chǎn)品的許多應(yīng)用，例如面部識(shí)別和測(cè)距。與傳統(tǒng)激光器相比，它們的制造、測(cè)試和組裝更容易、更便宜。

VCSEL源帶來(lái)的主要挑戰(zhàn)之一是，它們中的許多源以~1Hz和~10Hz之間的固定頻率發(fā)射長(zhǎng)度從低于40ms到幾毫秒的脈沖或脈沖突發(fā)。由于同步、跳動(dòng)、飽和和測(cè)量分辨率等問(wèn)題，這些脈沖很難用現(xiàn)有設(shè)備測(cè)量。使用常規(guī)功率模式(設(shè)計(jì)用于測(cè)量CW源)，由于脈沖頻率與電子設(shè)備內(nèi)部的采樣率跳動(dòng)，測(cè)量通常會(huì)產(chǎn)生噪聲。由于電子設(shè)備中使用的放大器增益通常是為了適應(yīng)CW源，因此在測(cè)量脈沖源時(shí)，由于短脈沖期間的高峰值功率水平，電子設(shè)備很容易飽和。此外，雖然需要更高的功率標(biāo)度(具有較低的靈敏度)以適應(yīng)高峰值功率水平，但由于激光源的低占空比，與峰值功率相比，測(cè)量的平均功率通常非常低。因此，與測(cè)量CW信號(hào)相比，測(cè)量可能會(huì)受到分辨率較低、噪聲較高和零點(diǎn)偏移誤差更差的影響。

所有這些問(wèn)題都通過(guò)新的“低頻功率模式”得到解決。

一、功率計(jì)工作原理

當(dāng)切換到“低頻功率模式”時(shí)，設(shè)備內(nèi)部的固件對(duì)電子設(shè)備的配置方式和光電二極管信號(hào)的測(cè)量方式進(jìn)行了一些更改，以適應(yīng)被測(cè)量的低頻脈沖。

調(diào)整電子設(shè)備中使用的采樣時(shí)間以匹配脈沖頻率，從而避免它們之間的跳動(dòng)。用戶需要提供脈沖頻率，固件會(huì)相應(yīng)地進(jìn)行自我調(diào)整。

放大器增益調(diào)整到較低的值，以適應(yīng)預(yù)期的高峰值功率水平。內(nèi)部測(cè)量分辨率擴(kuò)展到 7 位有效數(shù)字(取代常規(guī) CW 功率模式下使用的常規(guī) 4 位數(shù)字)，以適應(yīng)相對(duì)于所選功率標(biāo)度的低平均功率。

二、歸零

特別注意傳感器的歸零。歸零始終至關(guān)重要，在測(cè)量低占空比脈沖時(shí)更是如此。測(cè)量CW源時(shí)，放大器可以調(diào)節(jié)到最大可能增益，以保持盡可能低的噪聲，但在測(cè)量短脈沖時(shí)，必須降低增益以適應(yīng)短峰值功率。這導(dǎo)致對(duì)零電平誤差的敏感性更高，與測(cè)量CW源相比，零電平誤差可能導(dǎo)致更嚴(yán)重的誤差。始終在與測(cè)量時(shí)使用的相同環(huán)境中將傳感器歸零。最好遮擋所有背景光 - 或者至少將其降低到與正在執(zhí)行的測(cè)量相比微不足道的水平。記住，大量的背景光可能會(huì)導(dǎo)致歸零功能失敗，因此在開(kāi)始之前盡可能多地遮擋。

可以按照用戶手冊(cè)或設(shè)備文檔中的說(shuō)明以常規(guī)方式執(zhí)行歸零。請(qǐng)記住在歸零完成后將零電平“保存”到設(shè)備的內(nèi)存中。

StarBright功率計(jì)的跳動(dòng)插圖

三、選擇合適的頻率設(shè)置

有時(shí)，如果激光脈沖頻率與軟件使用的采樣時(shí)間不完全匹配，則可能會(huì)發(fā)生搏動(dòng)效應(yīng)。這將表現(xiàn)為測(cè)量的周期性變化，有時(shí)在幾秒鐘或 10 秒的時(shí)間內(nèi)。如果頻率設(shè)置太低，這可能會(huì)導(dǎo)致功率周期性正“尖峰”高于被測(cè)平均功率電平。如果頻率太高，尖峰將為負(fù)，低于平均功率電平。當(dāng)頻率調(diào)整得更接近正確的激光頻率時(shí)，尖峰會(huì)變得更小，距離越來(lái)越遠(yuǎn)，直到當(dāng)頻率被完美調(diào)整時(shí)它們完全消失。請(qǐng)注意，由于測(cè)量設(shè)備的標(biāo)稱內(nèi)部時(shí)鐘頻率或激光脈沖頻率的輕微誤差，完美測(cè)量所需的確切頻率設(shè)置可能與預(yù)期不完全一致。

在圖2中脈沖的確切頻率似乎是20.04Hz。將頻率設(shè)置為略高于或低于此值會(huì)導(dǎo)致功率讀數(shù)峰值高于或低于標(biāo)稱平均功率。此外，標(biāo)稱平均功率電平(尖峰之間的平坦部分)似乎隨頻率設(shè)置而略有變化。原因是總體平均功率(包括尖峰)在所有情況下都是恒定的，但正尖峰通過(guò)測(cè)量的“地板”水平的輕微降低而“抵消”，因此它們?cè)谒星闆r下平均到相同的平均值。

四、選擇合適的功率標(biāo)度

通常，應(yīng)選擇最敏感的功率標(biāo)度，該功率標(biāo)度不會(huì)在顯示屏上顯示“over”，這表明某種飽和度。固件將在發(fā)生飽和時(shí)通知用戶，允許用戶在需要時(shí)選擇靈敏度較低的功率標(biāo)度。請(qǐng)注意，有時(shí)電子設(shè)備可能會(huì)在低于理論上可以容納的平均功率水平下飽和(顯示“過(guò)度”)。例如，如果選擇300uW標(biāo)度，則在僅測(cè)量~100uW平均功率時(shí)可能會(huì)顯示“over”這取決于脈沖源占空比，固件自動(dòng)選擇的內(nèi)部功率標(biāo)度，軟件中選擇的激光波長(zhǎng)以及其他因素的確切組合。需要注意的重要一點(diǎn)是，固件將告訴用戶何時(shí)需要選擇不太敏感的刻度。

此外，如果平均功率超過(guò)所選刻度允許的最大功率，例如 350uW 刻度上的 300uW，將顯示消息“OVER”(大寫)而不是“over”(小寫)。這是用戶了解導(dǎo)致飽和的問(wèn)題的便捷方法。

使用此模式時(shí)禁用自動(dòng)量程。

五、噪聲

如上所述，當(dāng)測(cè)量具有低占空比的脈沖信號(hào)時(shí)，所選功率標(biāo)度的靈敏度需要低于平均功率相似的CW信號(hào)的最佳靈敏度。這可能會(huì)導(dǎo)致比等效CW信號(hào)更高的噪聲。此外，由于被測(cè)信號(hào)的不穩(wěn)定性，更高的噪聲仍然是不可避免的。雖然“低頻功率模式”將提高相對(duì)于常規(guī)功率模式的整體性能，但仍可能觀察到噪聲有一定的增加。在某些情況下，可以通過(guò)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)平均功率測(cè)量來(lái)降低噪聲。

六、何時(shí)使用低頻電源模式

有時(shí)，硬件可以提供足夠的低通濾波，以消除由脈沖信號(hào)引起的功率峰值，從而提高性能并降低噪聲。低通濾波的變化范圍為~160 Hz(1 ms響應(yīng)時(shí)間)，中等靈敏度范圍的低通濾波為~2 Hz(86 ms響應(yīng)時(shí)間)，最低為~0.64 Hz(250 ms)。內(nèi)部范圍由固件在選擇功率標(biāo)度時(shí)自動(dòng)選擇。當(dāng)選擇具有重低通濾波的模擬范圍時(shí)，使用常規(guī)功率模式有時(shí)可能比選擇“低頻功率模式”更好，后者可以自動(dòng)選擇不太敏感的模擬范圍。

建議執(zhí)行以下步驟：

首先嘗試選擇常規(guī)的“電源”模式。選擇不會(huì)導(dǎo)致“過(guò)度”的最靈敏的刻度 觀察功率測(cè)量以確定數(shù)據(jù)是穩(wěn)定還是嘈雜 如果信號(hào)非常嘈雜，請(qǐng)切換到低頻電源模式。如果數(shù)據(jù)穩(wěn)定，則向上更改一個(gè)功率標(biāo)度(例如，從 3 uJ 標(biāo)度更改為 30 uJ 標(biāo)度) 檢查在連續(xù)功率標(biāo)度上測(cè)得的平均功率是否相同 - 如果不是，則可能表示在更敏感的功率標(biāo)度上飽和。在這種情況下，請(qǐng)切換到低頻電源模式。

對(duì)于具有“濾波器IN”選項(xiàng)的光電二極管傳感器，在某些情況下，最好使用附加濾波器并將功率計(jì)設(shè)置為“濾波器IN”選項(xiàng)，從而減少光電二極管上的信號(hào)并迫使固件選擇具有更重低通濾波的更靈敏的內(nèi)部模擬范圍。這可以為脈沖信號(hào)提供更好的性能。

七、支持“低頻功率模式”的設(shè)備和儀表

許多 Ophir 儀表提供低頻電源模式，包括StarBright和Centauri;以及 Juno和EA-1設(shè)備。Ophir的“StarLab”PC應(yīng)用程序?qū)⒅С炙羞@些儀表和設(shè)備。