本文档描述了测量低频脉冲激光源平均功率所涉及的固有问题，并描述了许多 Ophir 设备和仪表上提供的“低频功率模式”来解决这些问题。它描述了如何使用新模式，并提到了一些获得最佳结果的技巧。
VCSEL光源在过去几年中变得非常流行，并被用于智能手机和其他产品的许多应用，例如面部识别和测距。与传统激光器相比，它们的制造、测试和组装更容易、更便宜。
VCSEL源带来的主要挑战之一是，它们中的许多源以~1Hz和~10Hz之间的固定频率发射长度从低于40ms到几毫秒的脉冲或脉冲突发。由于同步、跳动、饱和和测量分辨率等问题，这些脉冲很难用现有设备测量。使用常规功率模式(设计用于测量CW源)，由于脉冲频率与电子设备内部的采样率跳动，测量通常会产生噪声。由于电子设备中使用的放大器增益通常是为了适应CW源，因此在测量脉冲源时，由于短脉冲期间的高峰值功率水平，电子设备很容易饱和。此外，虽然需要更高的功率标度(具有较低的灵敏度)以适应高峰值功率水平，但由于激光源的低占空比，与峰值功率相比，测量的平均功率通常非常低。因此，与测量CW信号相比，测量可能会受到分辨率较低、噪声较高和零点偏移误差更差的影响。
所有这些问题都通过新的“低频功率模式”得到解决。
一、功率计工作原理
当切换到“低频功率模式”时，设备内部的固件对电子设备的配置方式和光电二极管信号的测量方式进行了一些更改，以适应被测量的低频脉冲。
调整电子设备中使用的采样时间以匹配脉冲频率，从而避免它们之间的跳动。用户需要提供脉冲频率，固件会相应地进行自我调整。
放大器增益调整到较低的值，以适应预期的高峰值功率水平。内部测量分辨率扩展到 7 位有效数字(取代常规 CW 功率模式下使用的常规 4 位数字)，以适应相对于所选功率标度的低平均功率。
二、归零
特别注意传感器的归零。归零始终至关重要，在测量低占空比脉冲时更是如此。测量CW源时，放大器可以调节到最大可能增益，以保持尽可能低的噪声，但在测量短脉冲时，必须降低增益以适应短峰值功率。这导致对零电平误差的敏感性更高，与测量CW源相比，零电平误差可能导致更严重的误差。始终在与测量时使用的相同环境中将传感器归零。最好遮挡所有背景光 - 或者至少将其降低到与正在执行的测量相比微不足道的水平。记住，大量的背景光可能会导致归零功能失败，因此在开始之前尽可能多地遮挡。
可以按照用户手册或设备文档中的说明以常规方式执行归零。请记住在归零完成后将零电平“保存”到设备的内存中。
StarBright功率计的跳动插图
三、选择合适的频率设置
有时，如果激光脉冲频率与软件使用的采样时间不完全匹配，则可能会发生搏动效应。这将表现为测量的周期性变化，有时在几秒钟或 10 秒的时间内。如果频率设置太低，这可能会导致功率周期性正“尖峰”高于被测平均功率电平。如果频率太高，尖峰将为负，低于平均功率电平。当频率调整得更接近正确的激光频率时，尖峰会变得更小，距离越来越远，直到当频率被完美调整时它们完全消失。请注意，由于测量设备的标称内部时钟频率或激光脉冲频率的轻微误差，完美测量所需的确切频率设置可能与预期不完全一致。
在图2中脉冲的确切频率似乎是20.04Hz。将频率设置为略高于或低于此值会导致功率读数峰值高于或低于标称平均功率。此外，标称平均功率电平(尖峰之间的平坦部分)似乎随频率设置而略有变化。原因是总体平均功率(包括尖峰)在所有情况下都是恒定的，但正尖峰通过测量的“地板”水平的轻微降低而“抵消”，因此它们在所有情况下平均到相同的平均值。
四、选择合适的功率标度
通常，应选择最敏感的功率标度，该功率标度不会在显示屏上显示“over”，这表明某种饱和度。固件将在发生饱和时通知用户，允许用户在需要时选择灵敏度较低的功率标度。请注意，有时电子设备可能会在低于理论上可以容纳的平均功率水平下饱和(显示“过度”)。例如，如果选择300uW标度，则在仅测量~100uW平均功率时可能会显示“over”这取决于脉冲源占空比，固件自动选择的内部功率标度，软件中选择的激光波长以及其他因素的确切组合。需要注意的重要一点是，固件将告诉用户何时需要选择不太敏感的刻度。
此外，如果平均功率超过所选刻度允许的最大功率，例如 350uW 刻度上的 300uW，将显示消息“OVER”(大写)而不是“over”(小写)。这是用户了解导致饱和的问题的便捷方法。
使用此模式时禁用自动量程。
五、噪声
如上所述，当测量具有低占空比的脉冲信号时，所选功率标度的灵敏度需要低于平均功率相似的CW信号的最佳灵敏度。这可能会导致比等效CW信号更高的噪声。此外，由于被测信号的不稳定性，更高的噪声仍然是不可避免的。虽然“低频功率模式”将提高相对于常规功率模式的整体性能，但仍可能观察到噪声有一定的增加。在某些情况下，可以通过在较长时间内平均功率测量来降低噪声。
六、何时使用低频电源模式
有时，硬件可以提供足够的低通滤波，以消除由脉冲信号引起的功率峰值，从而提高性能并降低噪声。低通滤波的变化范围为~160 Hz(1 ms响应时间)，中等灵敏度范围的低通滤波为~2 Hz(86 ms响应时间)，最低为~0.64 Hz(250 ms)。内部范围由固件在选择功率标度时自动选择。当选择具有重低通滤波的模拟范围时，使用常规功率模式有时可能比选择“低频功率模式”更好，后者可以自动选择不太敏感的模拟范围。
建议执行以下步骤：
首先尝试选择常规的“电源”模式。选择不会导致“过度”的最灵敏的刻度 观察功率测量以确定数据是稳定还是嘈杂 如果信号非常嘈杂，请切换到低频电源模式。如果数据稳定，则向上更改一个功率标度(例如，从 3 uJ 标度更改为 30 uJ 标度) 检查在连续功率标度上测得的平均功率是否相同 - 如果不是，则可能表示在更敏感的功率标度上饱和。在这种情况下，请切换到低频电源模式。
对于具有“滤波器IN”选项的光电二极管传感器，在某些情况下，最好使用附加滤波器并将功率计设置为“滤波器IN”选项，从而减少光电二极管上的信号并迫使固件选择具有更重低通滤波的更灵敏的内部模拟范围。这可以为脉冲信号提供更好的性能。
七、支持“低频功率模式”的设备和仪表
许多 Ophir 仪表提供低频电源模式，包括StarBright和Centauri;以及 Juno和EA-1设备。Ophir的“StarLab”PC应用程序将支持所有这些仪表和设备。
