優化低光信號測量的幾個初始步驟

原創 insights Thorlabs索雷博 2022-12-21 12:00 發表于上海

測量低功率光信號時，通過以下方法可優化測量結果：

● 盡量減小環境光，比如關燈

● 防止反射和散射光進入探頭

● 確保光斑處于探頭有源區

● 設置表頭的 zui,佳 動態范圍

● 在環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量誤差、確保探頭始終測量到完整光束的功率、并針對實驗條件完成 zui,佳 的表頭參數設置。

測量功率需要探頭&表頭

環境光

除了光學系統中的光束，其它來源的光都是環境光。室內燈光通常是環境光的 zui,主要 來源，但也有一部分來自顯示屏和儀器的LED指示燈。環境光之所以會干擾測量結果，這是因為隨著操作人員的移動、指示燈的閃爍和顯示屏的變化，環境光都可能變化。

環境光可能使功率讀數虛高、干擾低功率信號的探測或使探頭飽和。探頭飽和后將輸出接近或達到 zui,高 水平的信號，并且對超額的入射光要么不響應，要么響應很差。如果環境光功率雖然不會使探頭飽和，但又遠高于光信號功率，這樣探頭也可能無法探測到信號。

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

雜散光

系統中的光束可能發射散射、折射或衍射，從而產生雜散光。由于雜散光可能和不同的光學元件發生多次相互作用，還可能和主光路重疊，因此預測并阻擋雜散光一般比較難。雜散光對信號測量的影響和環境光差不多。

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能使反射光偏離主光路，但這種方法只適合對光學元件非正入射不敏感的應用。

楔形窗口片的反射光

與入射光不共線

當信號光和雜散光的夾角較大時，在探頭上安裝一個透鏡套筒能阻擋雜散光。如果角度較小，在探頭前加一個光闌可阻擋雜散光但透過信號光。另一種方法是把探頭移到更遠的地方。距離越遠，信號光和雜散光分隔越大，這樣雜散光要么無法入射到探頭上，要么在功率測量結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，信號功率的測量值將低于實際值。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的中心，否則更容易產生測量誤差。比如使用反射式中性密度濾光片時，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，所以入射角 zui,好 小于3度。因為探頭在光斑偏出時仍能測到功率，我們可能無法立即發現問題。因此，在測量前要檢查光束是否打在有源區內。

正確的角度                     偏差的角度

如果光束在測量過程中是不 wan,全 靜止，那么光束可能有時處于有源區內，有時超出有源區。例如，繞光軸旋轉光學組件時光斑就可能偏移。對于非正入射的光學元件表面尤其要注意這個問題。大面積探頭可能更適合運動的光斑。

光束方向因為光學元件旋轉而改變，可能導致測量誤差。

由于入射光方向變化，光斑有時會偏出左側探頭的有源區，但一直處于右側探頭的有源區。

探頭的動態范圍

探頭動態范圍是指它能測量的入射光功率范圍，而信號功率 bi,須 處于探頭的動態范圍內才能得到準確的測量結果。

探頭可探測的 zui,小 光功率水平取決于本底噪聲，即，在探頭沒有光入射時表頭報告的信號功率。此信號來自整個探測系統中的噪聲，包括探頭、表頭、電纜、放大器、濾波器等等。探頭對入射信號的響應只有超過噪聲時才能探測到信號。信號越弱，信噪比越低。當信號響應接近本底噪聲時，測量準確度可能很差。

功率探頭 zhi,定 的 zui,大 入射功率規格一般低于飽和強度。使用探頭時建議入射功率要遠低于飽和強度閾值，因為接近閾值時，探頭響應將變成非線性，并可能使測量值偏低，所以實際的光束功率可能超過功率限制而導致問題。當入射功率高于飽和強度時，測量讀數通常會在某個 zui,大 值保持不變。檢查飽和的一種方法是稍微增加信號功率，如果讀數不變或變化遠小于預期，則探頭可能已經飽和。

表頭的歸零

設置表頭的歸零時，擋住光源但不要擋住探頭。我們可以在測量光路中放一個光擋，但它的位置不能太靠近探頭，使探頭暴露在全部的環境光中。這樣在設置歸零后，環境光功率就會從測量結果中被減去。

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