如何正确测试脉冲光?

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。

　　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。

　　OSA三种测量模式的功能介绍

　　一、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。

　　二、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50 μs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70 μs的延迟，可以设置0~1000 μs范围内增加延迟时间的功能。

　　三、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，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0.1 Hz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100 μs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，可以测量峰值功率超过1 W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，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，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1 μs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1 μs时

　　脉冲峰值功率不得超过316 W。

　　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

·

　　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。

　　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100 μs

　　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50 μs，脉冲峰值功率0.1 W，重复频率1 kHz

　　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1 μs，脉冲峰值功率0.1 W，重复频率1 kHz

　　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1 ns，脉冲峰值功率10 W，重复频率1 kHz

　　根据脉宽条件，选择“时间平均”模式。

　　根据脉宽条件(<1 us)，最大峰值功率没超过316 W，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。

5.850 nm波段脉冲光测试实际光谱

脉宽: 1 μs, 重复周期: 1

使用时间平均模式测试获取以下光谱。