基于鎖相放大器和LabVIEW的激光功率測(cè)量系統(tǒng)

曾賢貴，夏　晶，胡同歡，楊青林

(湖南大學(xué) 物理與微電子科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082)

文章編號(hào)：1001-3806(2015)03-0295-05

基于鎖相放大器和LabVIEW的激光功率測(cè)量系統(tǒng)

曾賢貴，夏晶，胡同歡，楊青林

(湖南大學(xué) 物理與微電子科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082)

摘要：為了降低激光噪聲對(duì)光學(xué)實(shí)驗(yàn)的影響，采用了鎖相放大器配合光學(xué)斬波器進(jìn)行降噪。斬波器將激光調(diào)制成某一特定的頻率，并把該頻率傳送至鎖相放大器作為參考信號(hào)，鎖相放大器再利用相干檢測(cè)的方式提取出有用信號(hào)。為了減輕實(shí)驗(yàn)過程中操作員的勞動(dòng)，使用LabVIEW平臺(tái)開發(fā)了一套自動(dòng)化軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)記錄的自動(dòng)化，極大地簡(jiǎn)化了操作流程。結(jié)果表明，與直接使用功率計(jì)測(cè)量激光強(qiáng)度的方法相比，該方法測(cè)量噪聲從9.1%降低到4.7%；與人工記錄數(shù)據(jù)相比，使用自動(dòng)化軟件系統(tǒng)節(jié)約了一半以上的實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

關(guān)鍵詞：光電子學(xué)；降噪；鎖相放大器；LabVIEW軟件；激光功率

中圖分類號(hào)：TN247

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.03.002

Laser power measurement systems based on lock-in amplifiers and LabVIEW

ZENGXiangui,XIAJing,HUTonghuan,YANGQinglin

(School of Physics and Microelectronics Science, Hunan University, Changsha 410082, China)

Abstract：In order to reduce the impact of noise on laser optical experiments, a lock-in amplifier and an optical chopper were used. The laser was modulated at a specific frequency by the chopper and the frequency was sent to the lock-in amplifier as a reference signal. The useful signal was extracted with the lock-in amplifier based on the coherent detection method. In order to relieve the operator’s labor during experiments, an automatic software system under LabVIEW software platform was developed to operate the experiments and record data automatically, which greatly simplified the operation process. The results show that measurement noise of this method reduced from 9.1% to 4.7% compared with laser intensity measurement with a power meter directly. The automatic software system saves more than 50% of time compared with manual recording of data.

Key words:optoelectronics; noise reduction; lock-in amplifier; LabVIEW software; laser power

E-mail:zengxiangui90@163.com

引言

在z掃描和抽運(yùn)探測(cè)等多個(gè)激光實(shí)驗(yàn)中，常需測(cè)量激光的相對(duì)強(qiáng)度[1]。z掃描實(shí)驗(yàn)中，將被測(cè)材料放在光路中，移動(dòng)被測(cè)材料，測(cè)量其在不同位置時(shí)透射的激光強(qiáng)度占激光總強(qiáng)度的比例[2]。抽運(yùn)探測(cè)則是改變探測(cè)光相對(duì)于抽運(yùn)光的時(shí)間延遲，通過測(cè)量探測(cè)光透射某材料后的激光相對(duì)強(qiáng)度來分析該材料的特性[3]。而由于溫度和電壓波動(dòng)等噪聲干擾，激光源的輸出功率存在較大抖動(dòng)。這種抖動(dòng)與光路、電路中的其它噪聲疊加，給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來較大誤差。以抽運(yùn)探測(cè)技術(shù)為例，若探測(cè)光相對(duì)于抽運(yùn)光的延時(shí)變化較小，則透射率的變化也較小。若噪聲的強(qiáng)度超過透射率的變化，則探測(cè)信號(hào)就淹沒在噪聲之中。

因此，需要采用一種方式降低噪聲對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響[4]。使用性能較好的光電探測(cè)模塊[5]能夠有效地降低電路噪聲。若要濾除激光源噪聲，一種可行的方案是在電路中加入窄帶濾波器[6]。若信號(hào)的頻率落在窄帶濾波器的通頻帶中，則可以濾除部分噪聲。但此種方式在實(shí)際操作中有較大困難。首先，濾波器Q值無法做到太高，一般在100左右。對(duì)于1kHz的中心頻率，其通頻帶寬度大約為10Hz；其次，窄帶濾波器的中心頻率難以調(diào)節(jié)，且容易隨著溫度的變化而變化。而鎖相放大器利用相干檢測(cè)的原理，將Q值提高到107量級(jí)。對(duì)于1kHz的中心頻率，其通頻帶寬度只有0.1mHz；且鎖相放大器能自動(dòng)鎖定信號(hào)的頻率[7]，有效地解決窄帶濾波器中心頻率不易調(diào)節(jié)的問題。

在一次實(shí)驗(yàn)中往往需要多達(dá)上百次測(cè)量激光的相對(duì)強(qiáng)度。若手動(dòng)記錄每一次測(cè)量的結(jié)果，在增加繁重枯燥勞動(dòng)的同時(shí)還容易帶來錯(cuò)誤。因此，計(jì)算機(jī)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集顯得十分必要。自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集軟件可以使用C++等程序語言，但該語言學(xué)習(xí)難度較大，不利于非計(jì)算機(jī)軟件專業(yè)人士使用。VB或Delphi對(duì)相應(yīng)的硬件支持不夠。LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司開發(fā)的一款圖形化編程語言，程序源代碼類似流程圖，易于掌握和閱讀。且美國(guó)國(guó)家儀器公司開發(fā)了大量的通訊或接口轉(zhuǎn)換硬件，與LabVIEW相輔相成。本文中在LabVIEW平臺(tái)下，開發(fā)了一套自動(dòng)化控制軟件，計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用通用接口總線(general-purpose interface bus,GPIB)和串口完成通訊，這大大簡(jiǎn)化了鎖相放大器的操作，并且自動(dòng)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，避免了人工抄寫出錯(cuò)的可能。

1降噪原理分析

1.1　噪聲分析

本實(shí)驗(yàn)中使用脈沖激光源，理想情況下各個(gè)脈沖的強(qiáng)度相等。實(shí)際上，由于各種噪聲的影響，脈沖間存在較大的抖動(dòng)。經(jīng)分析，噪聲的來源[8]主要有以下幾個(gè)方面：(1)光源噪聲：機(jī)械振動(dòng)、氣壓、溫度以及電源電壓的波動(dòng)等因素，導(dǎo)致激光器輸出的鎖模脈沖序列發(fā)生波動(dòng)，從而引起脈沖強(qiáng)度的變化;(2)光路噪聲：激光經(jīng)過較長(zhǎng)的路徑才從光源室引入到試驗(yàn)臺(tái)，其中使用了多面反射鏡、衰光鏡和分光鏡,多次反射相干效應(yīng)和光束畸變以及環(huán)境中的噪光，都引入了新的噪聲;(3)電路噪聲：激光被探頭探測(cè)接收，放大電路放大，不可避免地引入了電路中的噪聲。包括熱噪聲、1/f噪聲、產(chǎn)生復(fù)合噪聲、散粒噪聲等[9]。

雖然存在各種噪聲，但上述噪聲隨機(jī)產(chǎn)生，屬于白噪聲或者低頻有色噪聲。低頻噪聲一般與信號(hào)的頻率相差較遠(yuǎn)，很容易被相敏檢波器濾除。白噪聲功率在各頻譜均勻分布，因此在信號(hào)頻率附近的噪聲強(qiáng)度并不大。若只檢測(cè)與信號(hào)頻率相同的成分，則可濾除了大部分噪聲。

1.2　理論分析

鎖相放大器利用相干檢測(cè)的原理，從強(qiáng)大的背景噪聲中檢測(cè)到微弱的信號(hào)[10]。它將帶噪聲的輸入信號(hào)與參考信號(hào)相乘，只檢測(cè)輸入信號(hào)中與參考信號(hào)頻率相同的成分，濾除其它頻率[11]。本文中使用美國(guó)Stanford Research Systems公司的SR850鎖相放大器，圖 1是其參考手冊(cè)上提供的原理框圖。輸入信號(hào)可以從A、B雙端口差分輸入，也可單端輸入。經(jīng)過50Hz/60Hz帶阻濾波器和100Hz/120Hz帶阻濾波器，濾掉工頻及其二次諧波。鑒相器和鎖相環(huán)鎖定外部輸入?yún)⒖夹盘?hào)的相位及頻率(若使用外部參考頻率，則內(nèi)部振蕩器不起作用)，經(jīng)過相移后送至兩個(gè)相敏鑒波器。經(jīng)過低通濾波器及其它相應(yīng)運(yùn)算輸出處理結(jié)果。參考信號(hào)可以輸出為正弦信號(hào)或者晶體管-晶體管邏輯電平(transistor-transistor logic,TTL)。

Fig.1　Functional module of SR850 lock-in amplifier

輸入電壓信號(hào)為Fs(t)+Fn(t)，其中Fs(t)為有用電壓信號(hào)，F(xiàn)n(t)為噪聲電壓，參考電壓信號(hào)為Fref(t)。設(shè)Fs(t)=Vssin(ωst+θs)，F(xiàn)ref(t)=Vrefsin(ωref+θref)。其中Vs和Vref分別表示輸入信號(hào)和參考信號(hào)的電壓幅值。噪聲頻譜無限寬，此處以一個(gè)頻率為例，設(shè)Fn(t)=Vnsin(ωn+θn)，其中Vn表示噪聲信號(hào)的電壓幅值。

采用電壓?jiǎn)味溯斎耄杏眯盘?hào)與參考頻率相乘如下式所示：

噪聲與參考頻率相乘如下式所示：

2實(shí)驗(yàn)過程

2.1　光路搭建

傳統(tǒng)上，欲測(cè)量透射或者反射某一材料的激光強(qiáng)度，常使用功率計(jì)[13]。圖 2是簡(jiǎn)化了的實(shí)驗(yàn)光路，脈沖激光經(jīng)過衰減后打在被測(cè)材料上。光電探頭將激光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)[14]，使用功率計(jì)測(cè)量激光的強(qiáng)度。

Fig.2　Light path of traditional laser power measurement

功率計(jì)本身的精度可以不斷提高，可是卻無法消除光源、光路以及電路中的噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來的影響。若激光功率的抖動(dòng)比較大，實(shí)驗(yàn)中對(duì)測(cè)量精度要求較高，傳統(tǒng)的方法則顯得無能為力。

本實(shí)驗(yàn)中使用Coherent公司的飛秒激光器，實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)其噪聲高達(dá)10%。圖 3是將光電探頭輸出的模擬信號(hào)直接輸入示波器觀察到的波形，肉眼即可觀察到脈沖高度的參差不齊。光電探頭的頻率響應(yīng)遠(yuǎn)低于飛秒量級(jí)，因此可以看到拖尾效應(yīng)。

Fig.3　Laser pulse observed with an oscilloscope

為了提高精度，本實(shí)驗(yàn)中在傳統(tǒng)光路的基礎(chǔ)上增加光學(xué)斬波器，改功率計(jì)為鎖相放大器檢測(cè)激光強(qiáng)度，并使用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖 4所示。光學(xué)斬波器相當(dāng)于一個(gè)光開關(guān)，將激光按照一定頻率調(diào)制，同時(shí)輸出該調(diào)制頻率作為參考信號(hào)，保證有用信號(hào)與參考信號(hào)的頻率嚴(yán)格一致。

Fig.4　Light path access of a lock-in amplifier

2.2　數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集

LabVIEW軟件的作用是控制鎖相放大器等電子設(shè)備、測(cè)量激光的強(qiáng)度、記錄數(shù)據(jù)并保存到硬盤的指定位置[15]。當(dāng)用戶點(diǎn)擊軟件前面板“開始測(cè)量”，軟件才運(yùn)行，否則處于空閑狀態(tài)。這種處理方式大大降低了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的資源消耗率。測(cè)量前首先通過鎖相放大器前面板簡(jiǎn)單設(shè)置“AUTO PHASE”,“AUTO SCALE”,“AUTO GAIN”,“AUTO RESERVE”等。其它復(fù)雜的設(shè)置由軟件以指令的形式完成，如圖 5所示。

Fig.5　Basic setting of a lock-in amplifier

計(jì)算機(jī)與鎖相放大器通過GPIB接口通訊，地址為8。軟件中指令的解釋如下：OUTX 1：將數(shù)據(jù)輸出端口設(shè)置為GPIB；HARM 1：將檢測(cè)頻率設(shè)置為參考信號(hào)的一次諧波；FMOD 2：將參考頻率設(shè)置為外部輸入；RMOD 0：將動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)設(shè)置為最大；ICPL 0：將耦合方式設(shè)置為交流電(alternating current,AC)模式；ILIN 3：開啟50Hz和100Hz帶通濾波器；OFLT 11：將低通濾波器時(shí)間常數(shù)設(shè)置為3s。

測(cè)試開始后，便需要把測(cè)量的數(shù)據(jù)讀取到計(jì)算機(jī)，如圖6所示。首先將指令“OUTP? 3”發(fā)送到鎖相放大器，查詢測(cè)量數(shù)據(jù)是否有效。若有效則通過GPIB端口讀取到計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)是字符串格式，轉(zhuǎn)換為數(shù)值格式可以顯示在軟件前面板的波形圖表以及數(shù)值控件上。

Fig.6　Data recording and format conversion

讀取到的數(shù)據(jù)需要保存到磁盤。圖 7為數(shù)據(jù)保存的程序片段，可以指定文件保存位置，自由設(shè)置文件名，默認(rèn)保存為txt格式。軟件在實(shí)驗(yàn)一開始便要求實(shí)驗(yàn)者指定數(shù)據(jù)的保存位置，與試驗(yàn)結(jié)束后選擇保存位置的方式相比，該方式的優(yōu)點(diǎn)在于可以避免由于試驗(yàn)時(shí)間過長(zhǎng)而使實(shí)驗(yàn)員忘記保存數(shù)據(jù)。

Fig.7　Data saving

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

激光經(jīng)過衰減后，照射在光電探頭上。多次旋轉(zhuǎn)衰光鏡，分別使用功率計(jì)和鎖相放大器測(cè)量激光相對(duì)強(qiáng)度。結(jié)果表明，兩種方法測(cè)量激光的相對(duì)強(qiáng)度一致。以下著重分析鎖相放大器的降噪效果。固定衰光鏡，分別使用兩種方式測(cè)量激光相對(duì)強(qiáng)度各60次，測(cè)量結(jié)果由軟件自動(dòng)記錄。為了使兩組數(shù)據(jù)具有可比性，將原始數(shù)據(jù)等比例化歸到1附近。表1和表2中分別是使用功率計(jì)和鎖相放大器測(cè)量的結(jié)果。衰光鏡沒有旋轉(zhuǎn)，激光的功率保持不變。如果處于沒有噪聲的理想狀態(tài)，兩個(gè)表中的每一個(gè)數(shù)據(jù)都將一樣。由于噪聲的干擾，實(shí)際的測(cè)量值會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。為了比較兩種方法的降噪效果，需要計(jì)算這兩種方法各自的波動(dòng)情況，最大值和最小值以及方差能夠較好地體現(xiàn)測(cè)量結(jié)果波動(dòng)的情況。表3中給出了數(shù)據(jù)的分析指標(biāo)。

Table 1　Measurement data with a power meter

Table 2　Measurement data with a lock-in amplifier

從表3可以看出，使用功率計(jì)測(cè)量激光的強(qiáng)度，噪聲為9.1%；使用鎖相放大器測(cè)量激光的強(qiáng)度，噪聲為4.7%。這說明使用鎖相放大器測(cè)量有明顯的降噪效果；使用功率計(jì)測(cè)量激光強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方差為0.000515，使用鎖相放大器測(cè)量的數(shù)據(jù)方差為0.000199，說明測(cè)量的穩(wěn)定性有明顯的提高，這避免了測(cè)量數(shù)據(jù)的偶然性給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來的誤差，有效地提高了實(shí)驗(yàn)精度。

4結(jié)論

采用鎖相放大器，明顯提高了激光強(qiáng)度的測(cè)量精度，使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更具可信度，對(duì)z掃描和抽運(yùn)探測(cè)等光學(xué)實(shí)驗(yàn)的降噪具有較大的參考價(jià)值；利用LabVIEW平臺(tái)開發(fā)自動(dòng)控制與數(shù)據(jù)采集軟件，極大地簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)的操作、提高了實(shí)驗(yàn)效率、避免了手動(dòng)記錄數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

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收稿日期：2014-04-15；收到修改稿日期：2014-05-06

作者簡(jiǎn)介：曾賢貴(1990-)，男，碩士研究生，主要從事光電技術(shù)的研究。