曾賢貴，夏　晶，胡同歡，楊青林

(湖南大學 物理與微電子科學學院，長沙 410082)

文章編號：1001-3806(2015)03-0295-05

基于鎖相放大器和LabVIEW的激光功率測量系統(tǒng)

曾賢貴，夏晶，胡同歡，楊青林

(湖南大學 物理與微電子科學學院，長沙 410082)

摘要：為了降低激光噪聲對光學實驗的影響，采用了鎖相放大器配合光學斬波器進行降噪。斬波器將激光調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，鎖相放大器再利用相干檢測的方式提取出有用信號。為了減輕實驗過程中操作員的勞動，使用LabVIEW平臺開發(fā)了一套自動化軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了實驗操作和數(shù)據(jù)記錄的自動化，極大地簡化了操作流程。結果表明，與直接使用功率計測量激光強度的方法相比，該方法測量噪聲從9.1%降低到4.7%；與人工記錄數(shù)據(jù)相比，使用自動化軟件系統(tǒng)節(jié)約了一半以上的實驗時間。

關鍵詞：光電子學；降噪；鎖相放大器；LabVIEW軟件；激光功率

中圖分類號：TN247

文獻標志碼：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掃描和抽運探測等多個激光實驗中，常需測量激光的相對強度[1]。z掃描實驗中，將被測材料放在光路中，移動被測材料，測量其在不同位置時透射的激光強度占激光總強度的比例[2]。抽運探測則是改變探測光相對于抽運光的時間延遲，通過測量探測光透射某材料后的激光相對強度來分析該材料的特性[3]。而由于溫度和電壓波動等噪聲干擾，激光源的輸出功率存在較大抖動。這種抖動與光路、電路中的其它噪聲疊加，給實驗結果帶來較大誤差。以抽運探測技術為例，若探測光相對于抽運光的延時變化較小，則透射率的變化也較小。若噪聲的強度超過透射率的變化，則探測信號就淹沒在噪聲之中。

因此，需要采用一種方式降低噪聲對實驗結果的影響[4]。使用性能較好的光電探測模塊[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的原理，將Q值提高到107量級。對于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鎖定信號的頻率[7]，有效地解決窄帶濾波器中心頻率不易調節(jié)的問題。

在一次實驗中往往需要多達上百次測量激光的相對強度。若手動記錄每一次測量的結果，在增加繁重枯燥勞動的同時還容易帶來錯誤。因此，計算機自動化數(shù)據(jù)采集顯得十分必要。自動化數(shù)據(jù)采集軟件可以使用C++等程序語言，但該語言學習難度較大，不利于非計算機軟件專業(yè)人士使用。VB或Delphi對相應的硬件支持不夠。LabVIEW是美國國家儀器公司開發(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。且美國國家儀器公司開發(fā)了大量的通訊或接口轉換硬件，與LabVIEW相輔相成。本文中在LabVIEW平臺下，開發(fā)了一套自動化控制軟件，計算機與實驗設備使用通用接口總線(general-purpose interface bus,GPIB)和串口完成通訊，這大大簡化了鎖相放大器的操作，并且自動記錄實驗數(shù)據(jù)，避免了人工抄寫出錯的可能。

1降噪原理分析

1.1　噪聲分析

本實驗中使用脈沖激光源，理想情況下各個脈沖的強度相等。實際上，由于各種噪聲的影響，脈沖間存在較大的抖動。經(jīng)分析，噪聲的來源[8]主要有以下幾個方面：(1)光源噪聲：機械振動、氣壓、溫度以及電源電壓的波動等因素，導致激光器輸出的鎖模脈沖序列發(fā)生波動，從而引起脈沖強度的變化;(2)光路噪聲：激光經(jīng)過較長的路徑才從光源室引入到試驗臺，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)生復合噪聲、散粒噪聲等[9]。

雖然存在各種噪聲，但上述噪聲隨機產(chǎn)生，屬于白噪聲或者低頻有色噪聲。低頻噪聲一般與信號的頻率相差較遠，很容易被相敏檢波器濾除。白噪聲功率在各頻譜均勻分布，因此在信號頻率附近的噪聲強度并不大。若只檢測與信號頻率相同的成分，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的原理，從強大的背景噪聲中檢測到微弱的信號[10]。它將帶噪聲的輸入信號與參考信號相乘，只檢測輸入信號中與參考信號頻率相同的成分，濾除其它頻率[11]。本文中使用美國Stanford Research Systems公司的SR850鎖相放大器，圖 1是其參考手冊上提供的原理框圖。輸入信號可以從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夹盘柕南辔患邦l率(若使用外部參考頻率，則內(nèi)部振蕩器不起作用)，經(jīng)過相移后送至兩個相敏鑒波器。經(jīng)過低通濾波器及其它相應運算輸出處理結果。參考信號可以輸出為正弦信號或者晶體管-晶體管邏輯電平(transistor-transistor logic,TTL)。

Fig.1　Functional module of SR850 lock-in amplifier

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

采用電壓單端輸入，有用信號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實驗過程

2.1　光路搭建

傳統(tǒng)上，欲測量透射或者反射某一材料的激光強度，常使用功率計[13]。圖 2是簡化了的實驗光路，脈沖激光經(jīng)過衰減后打在被測材料上。光電探頭將激光轉換為電信號[14]，使用功率計測量激光的強度。

Fig.2　Light path of traditional laser power measurement

功率計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測量結果帶來的影響。若激光功率的抖動比較大，實驗中對測量精度要求較高，傳統(tǒng)的方法則顯得無能為力。

本實驗中使用Coherent公司的飛秒激光器，實際測量發(fā)現(xiàn)其噪聲高達10%。圖 3是將光電探頭輸出的模擬信號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遠低于飛秒量級，因此可以看到拖尾效應。

Fig.3　Laser pulse observed with an oscilloscope

為了提高精度，本實驗中在傳統(tǒng)光路的基礎上增加光學斬波器，改功率計為鎖相放大器檢測激光強度，并使用計算機自動控制實驗平臺，如圖 4所示。光學斬波器相當于一個光開關，將激光按照一定頻率調制，同時輸出該調制頻率作為參考信號，保證有用信號與參考信號的頻率嚴格一致。

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

2.2　數(shù)據(jù)自動化采集

LabVIEW軟件的作用是控制鎖相放大器等電子設備、測量激光的強度、記錄數(shù)據(jù)并保存到硬盤的指定位置[15]。當用戶點擊軟件前面板“開始測量”，軟件才運行，否則處于空閑狀態(tài)。這種處理方式大大降低了計算機系統(tǒng)的資源消耗率。測量前首先通過鎖相放大器前面板簡單設置“AUTO PHASE”,“AUTO SCALE”,“AUTO GAIN”,“AUTO RESERVE”等。其它復雜的設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

計算機與鎖相放大器通過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)輸出端口設置為GPIB；HARM 1：將檢測頻率設置為參考信號的一次諧波；FMOD 2：將參考頻率設置為外部輸入；RMOD 0：將動態(tài)存儲設置為最大；ICPL 0：將耦合方式設置為交流電(alternating current,AC)模式；ILIN 3：開啟50Hz和100Hz帶通濾波器；OFLT 11：將低通濾波器時間常數(shù)設置為3s。

測試開始后，便需要把測量的數(shù)據(jù)讀取到計算機，如圖6所示。首先將指令“OUTP? 3”發(fā)送到鎖相放大器，查詢測量數(shù)據(jù)是否有效。若有效則通過GPIB端口讀取到計算機。數(shù)據(jù)是字符串格式，轉換為數(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，自由設置文件名，默認保存為txt格式。軟件在實驗一開始便要求實驗者指定數(shù)據(jù)的保存位置，與試驗結束后選擇保存位置的方式相比，該方式的優(yōu)點在于可以避免由于試驗時間過長而使實驗員忘記保存數(shù)據(jù)。

Fig.7　Data saving

3實驗結果

激光經(jīng)過衰減后，照射在光電探頭上。多次旋轉衰光鏡，分別使用功率計和鎖相放大器測量激光相對強度。結果表明，兩種方法測量激光的相對強度一致。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量激光相對強度各60次，測量結果由軟件自動記錄。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和鎖相放大器測量的結果。衰光鏡沒有旋轉，激光的功率保持不變。如果處于沒有噪聲的理想狀態(tài)，兩個表中的每一個數(shù)據(jù)都將一樣。由于噪聲的干擾，實際的測量值會在一定范圍內(nèi)波動。為了比較兩種方法的降噪效果，需要計算這兩種方法各自的波動情況，最大值和最小值以及方差能夠較好地體現(xiàn)測量結果波動的情況。表3中給出了數(shù)據(jù)的分析指標。

Table 1　Measurement data with a power meter

Table 2　Measurement data with a lock-in amplifier

從表3可以看出，使用功率計測量激光的強度，噪聲為9.1%；使用鎖相放大器測量激光的強度，噪聲為4.7%。這說明使用鎖相放大器測量有明顯的降噪效果；使用功率計測量激光強度，實驗數(shù)據(jù)的方差為0.000515，使用鎖相放大器測量的數(shù)據(jù)方差為0.000199，說明測量的穩(wěn)定性有明顯的提高，這避免了測量數(shù)據(jù)的偶然性給實驗結果帶來的誤差，有效地提高了實驗精度。

4結論

采用鎖相放大器，明顯提高了激光強度的測量精度，使得實驗數(shù)據(jù)更具可信度，對z掃描和抽運探測等光學實驗的降噪具有較大的參考價值；利用LabVIEW平臺開發(fā)自動控制與數(shù)據(jù)采集軟件，極大地簡化了實驗的操作、提高了實驗效率、避免了手動記錄數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)的錯誤。

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收稿日期：2014-04-15；收到修改稿日期：2014-05-06

作者簡介：曾賢貴(1990-)，男，碩士研究生，主要從事光電技術的研究。