摘要

大多數(shù)光學(xué)斬波器的斬波片制造是為了產(chǎn)生具有 50% 占空比的光學(xué)波形:在光學(xué)周期內(nèi)， 斬波片的“通光”、“阻擋”交替進行從而阻擋了50%的光束。然而，某些實驗的待測樣品對輸入光的光功率較為敏感(例如非線性效應(yīng)、光漂白、熱效應(yīng)等對樣品產(chǎn)生的破壞)參考文獻【1-4】。在其他情況下，您可能需要為時間分辨或泵浦探測成像對激發(fā)脈沖進行門控【5，6】。對于這些實驗，能夠輕松調(diào)節(jié)斬波片的占空比是很有意義的。

圖1: O54256 5/6雙槽葉片以50%占空比調(diào)制光束: Ton  = Toff .

有幾種方法可以改變光學(xué)斬波的占空比:

1. 定制“通光”和“阻擋”槽位具有不同寬度的斬波片。
2. 將兩個50%占空比的斬波片層疊安裝在同一個電機上，通過調(diào)節(jié)葉片相對的位錯實現(xiàn)調(diào)節(jié)占空比
3. 使用可變占空比的斬波片。
4. 同步兩個光學(xué)斬波器，并調(diào)整其中一個葉片相對于另一個葉片的相位。

（注：如果您只需要一個固定的占空比，例如10%，選擇或定制一個通光寬度10%阻擋寬度90%的斬波片就足夠了。如果您希望設(shè)計定制斬波片，我們在SR542 操作手冊中提供了設(shè)計指南。）

層疊斬波片

實現(xiàn)可調(diào)占空比的最簡單方法可能是層疊兩個相同的斬波片，并將它們安裝在同一個斬波器的電機上，兩個葉片之間有一個旋轉(zhuǎn)偏移量。該偏移減小了有效通光孔徑的寬度，即占空比。如果要更改占空比，必須停止電機，松開安裝螺釘，并旋轉(zhuǎn)從屬葉片。由于是純手調(diào)，精確實現(xiàn)所需的占空比可能比較困難。

圖 2:通過將第二葉片(顯示為透明藍色)層疊在第一葉片上實現(xiàn)25%的占空因子，第二葉片相對旋轉(zhuǎn)量為15°。原始50%的占空比用紅色虛線表示。

可變占空比斬波片

我們提供的 SR542 可以選配可變占空比的斬波片（型號0542DF ）。這種特殊制作斬波片提供的孔徑占空比為 10%至 90%，步長為10%。負(fù)載因子通過選擇葉片上的位置來選擇。通過選擇光束的位置來選擇占空比。因此，改變占空比就需要重新對準(zhǔn)光束到不同的位置。

圖3:  O542DF可變占空比斬波片。根據(jù)光束照射在斬波片半徑的位置，可以將占空比設(shè)為n*(10%)(其中n=1、2、3...9)。注意光斑必須足夠小以免溢出到下一檔位

同步兩臺斬波器

控制占空比最靈活的方法是先同步兩個SR542光學(xué)斬波器到等相位。然后可以精密調(diào)整第二斬波器與第一斬波器的相位差，則可實現(xiàn)高精度的占空比控制。這實際上與圖2層疊在單個電機上的兩個斬波片產(chǎn)生的效果是相同，不同的是可以在不停止斬波片旋轉(zhuǎn)的情況下，快速且精密的調(diào)節(jié)占空比。設(shè)備具體接駁方式見圖4. 下面我們在示波器的輔助下展示完整的斬波器同步流程：

使用示波器進行相位對齊

首先，將兩個斬波頭放在光路中，光束通過所需的斬波片孔徑。具體而言，我們假設(shè)在兩個斬波頭上都安裝標(biāo)準(zhǔn)5/6雙槽斬波片（O54256 ），并對準(zhǔn)斬波片的外側(cè)孔徑。我們設(shè)置斬波器1為主斬波器，其參考頻率為內(nèi)置時鐘（操作設(shè)置如下）。

例如：

•   Source   =   Internal Freq  

•   Multiplier  =   ×1  

•   Control   =   Outer  

•   Int Freq   = 165 Hz

操作設(shè)置斬波器2為從斬波器，其時鐘參考頻率取主斬波器1的同步輸出，也就是Source = Ext Sync。在后面板上，將斬波器1的Source Out連接到斬波器2的Ext Sync Input ，如圖4所示。這使得斬波器1成為主時鐘。為了顯示斬波波形，將斬波器1的Outer Slots Reference Output連接到示波器通道1，將斬波器2的Outer Slots Reference Output連接到通道2。 將光電探測器的輸出端連接到示波器的通道4上。打開兩個斬波器電機，通過按下按鈕，打開兩個斬波器的電機 。

將示波器的觸發(fā)設(shè)置為通道1，并適當(dāng)調(diào)整時間基準(zhǔn)，在顯示屏上可以看到幾個周期的信號。許多示波器都具備占空比測量功能。對于光電二極管采集的信號，使用這個功能可能很有幫助。您可能會看到類似于圖5a中的波形。請注意以下特征：

1. 相位差??1−2為兩個斬波器1和2的參考信號之間的相位差。
2. 相位差??s為斬波器1和光電探測器信號之間的相位差
3. 光電探測器信號的占空比小于50% (Ton/Toff < 0.5)。

相位差??1−2是兩個斬波片的相位差。相移??s 是被測信號的相位差。參考輸出由位于每個斬波器電機底座上的光電探頭產(chǎn)生（如圖4所示的6點鐘位置），而被斬波的信號光束路徑則通過其他地方（例如，11點鐘位置）。

通過監(jiān)測光電探測器的信號，調(diào)整斬波器2的相位 ，我們可以恢復(fù)斬波器1和2的完全同步，即50%的占空比波形，如圖5b所示。我們把這種配置稱為相位對齊2。一旦兩個斬波器相位對齊   ，我們就可以按下 斬波器2的   按鈕。這將打開指示燈，并顯示當(dāng)前相位設(shè)置為0°。之后的設(shè)置都將以這個Rel點為參考。

現(xiàn)在我們可以通過斬波器2的相位設(shè)置實現(xiàn)數(shù)字控制占空比，這可以通過前面板旋鈕、鍵盤或USB遠(yuǎn)程接口輕松實現(xiàn)。這個功能可以實現(xiàn)電控優(yōu)化信號強度或者占空比掃描。且無需停止電機來調(diào)整層疊的葉片相位差，也不必重新對準(zhǔn)光路。(在每次相位調(diào)整后，斬波器2需要一點時間來穩(wěn)定并重新獲得“Chopper Locked”狀態(tài)。對于較小的相位調(diào)整，所需時間非常短，通常是小于1秒)。

注意，當(dāng)您通過+?? 或 −??調(diào)整斬波器2的相位為0? 時，占空比將將小于最大值50%。占空比D = Ton /Toff 計算如下：

1可以通過調(diào)整斬波器1的相位來實現(xiàn)，因為兩個電機都被斬波器1的內(nèi)部源時鐘控制，并且相位設(shè)定點Phase相對于該內(nèi)部參考。

2然而，“相位對齊”并不一定等同于參考輸出信號的邊緣重合。只有當(dāng)兩個電機的光電傳感器與光斑之間的角度距離完全相同時，才會是這種情況。下面將對此進行討論。

圖4:  .使用示波器對兩個SR542光學(xué)斬波器進行同步和相位對準(zhǔn)的示意圖。斬波器1做為主時鐘，因此其Source Output與斬波器2的Ext Sync Input相連。兩個斬波器的Outer Slots Reference Output以及來自光電探測器的雙斬波光束信號均連接到示波器上。

其中，φ°是斬波器2的相位設(shè)定值（相對于我們上面通過相位對齊程序設(shè)置的“0”）。

由于兩個斬波片的占空比設(shè)計都為50%，因此使用這種方法不可能實現(xiàn)占空比大于50%的光脈沖。對于占空比為D1和D2的兩個斬波片，該方法的最大可實現(xiàn)占空比小于D1和D2，最小可實現(xiàn)占空比為D1 + D2−1（如果結(jié)果為負(fù)，則為0）。

值得提及的是，與單斬波實驗架構(gòu)相比，雙斬波光束并沒有增加額外的相位抖動。對于占空比小于50%，一個斬波器負(fù)責(zé)控制光束導(dǎo)通（光電探測器輸出的上升沿），而另一個控制光束關(guān)斷（下降沿）。因此，雙斬波架構(gòu)的相位抖動近似于每個斬波器分別產(chǎn)生的相位抖動的平均值。

隨著占空比的減小，如果光束尺寸大于有效孔徑寬度，則有效光束強度也會減小。因此，在解釋作為占空比函數(shù)獲得的數(shù)據(jù)時應(yīng)該小心，因占空比過小（時常是無意中的過度調(diào)節(jié)）導(dǎo)致有效波束尺寸變化可能產(chǎn)生的影響。

在圖5b的代表性波形中，您可能已經(jīng)注意到，當(dāng)雙斬波光束達到50%占空比時，斬波器1和斬波器2的參考輸出之間的邊緣重合。因此，雙斬波光束大致是參考輸出的邏輯與門“AND”。然而，只有當(dāng)光束在完全相同的位置（例如11點鐘方向）穿過每個斬波器的葉片，并且光中斷的位置在每個電機上相同時，才會出現(xiàn)這種情況3。因此，光電探測器信號本身是實現(xiàn)調(diào)整雙斬波占空比唯一直接和可靠的方法。

如果光電探測器輸出的信噪比（SNR）很差，那么您可能無法直接在示波器上檢測到完好的矩形波形，更不用說測量其占空比了。在這種情況下，執(zhí)行相位對齊過程需要使用增加鎖相放大器進行微弱信號處理。

使用鎖相放大器的相位對齊的流程

為了建立兩個斬波器之間的相位對齊，我們首先需要記錄一個單斬波50%占空比波束的基線鎖定信號。需要從斬波器1的Source Output到斬波器2的Ext Sync Input的連接保持不變（如圖4所示）。

3 對于高槽數(shù)葉片，電機底座上的光中斷器的橫向和垂直位移將使參考輸出信號產(chǎn)生更大的相移。

(a) 初始波形

(b) 相位對齊波形

圖 5:  模擬光束通過兩個斬波器的示波器示意圖。(a)在相位對齊之前，斬波器1和斬波器2的信號之間存在相位差?φ1−2 ，光電探測器信號占空比(Ton /Toff )很可能為小于50%。(b)在相位對齊之后，光電探測器輸出波形有50%的占空比。光探測器信號的相位差?φs仍然存在。

將斬波器1的Outer Slots Reference Output連接到鎖相放大器的參考輸入，并將鎖相放大器的Reference to External and Pos TTL連接光電探測器輸出端4，并根據(jù)您的信號設(shè)置靈敏度、時間常數(shù)、輸入范圍、輸入耦合和濾波器滾降斜率。一旦斬波器1的電機已經(jīng)啟動并指示“斬波器鎖定”，鎖相放大器也應(yīng)該指示斬波頻率下的參考鎖定。

4或者，您可以使用鎖相放大器作為主時鐘基準(zhǔn)，將其參考輸出提供給兩個斬波器的Ext Sync Inputs 。而且，提供斬波器1的Slots Reference Output給鎖相放大器是有作用的，因為鎖相放大器自己的鎖相環(huán)可以跟蹤實際的葉片運動。  

此時，有必要將斬波器2設(shè)置為 Shutter Mode5。這樣您就可以使用其  Phase 設(shè)置來調(diào)整斬波器葉片的靜態(tài)位置。在監(jiān)測鎖相放大器上的信號幅度R的同時，調(diào)整斬波器2的相位，直到信號達到最大值。斬波器2已處于“beam pass.”的狀態(tài)。記錄信號的幅度（和相位θ），因為這代表了一束占空比為50%的單次斬波。

打開斬波器2。通常情況下，信號幅度R將減小，相對于參考信號的相位θ也會發(fā)生位移。調(diào)整斬波器2的相位，直到恢復(fù)了原始信號的幅度和相位。此時，斬波器已經(jīng)是相位對齊的：已經(jīng)恢復(fù)50%占空比的波形。按下斬波器2上的 按鈕以“歸零”當(dāng)前相位，并啟用相對于此零點的相位調(diào)整。現(xiàn)在可以通過斬波器2的相位調(diào)節(jié)并使用方程(1)來計算占空比。

鎖相放大器信號分析

我們有必要研究鎖相放大器信號對占空比的依賴性。我們可以用以下方式描述雙斬波器光路的時域矩形波形。

x(t) = A for 0 ≤ (t mod T) < DT (2)

= 0 otherwise

其中T為信號周期，DT  = Ton為處于“高”或“ON”狀態(tài)所需的時間，因此D表示占空比（0≤D < 1）。見圖7。

這個信號可以用以下形式的傅里葉級數(shù)來表示：

(3)

為了進行比較，在一個鎖相放大器中，X和Y通道的參考振蕩器被定義為：

（4）

（5）

圖 6:使用鎖相放大器實現(xiàn)微弱信號下兩個SR542光斬波器的同步和相位對齊。

圖 7: 一個峰峰值幅度為A、占空比為D、周期為T的矩形波形。

這樣，方程式（3）的an將對應(yīng)于Y通道的輸出，而bn將對應(yīng)于X通道的輸出。

方程式(3)的計算DC term的方法如下：

                                  (6)

系數(shù)an 的計算方法如下：

(7)   
系數(shù)bn的計算方法如下：

        (8)                  

使用an和bn，我們可以計算一個已給定的諧波、占空比以及峰峰值的信號對應(yīng)的振幅和相位（鎖相放大器的R和θ輸出）

其中，的因子來自于鎖相放大器的RMS計算。對于 0≤D < 0.5的計算結(jié)果如圖8所示，其中自變量?2為斬波器2的相位，用于調(diào)整占空比。

圖 8:R（將其歸一化為方波峰峰值振幅A，并包括因數(shù)1/√2用于計算RMS值）和θ vs. ?2（斬波器2相位）和占空比，鎖相放大器諧波n = 1。

在D=為0.5的情況下，矩形波形峰峰值振幅與鎖相放大器之間的測量簡單地用

(11)

在這種情況下，只有n=1,3,5,7…是非零的(即常見的方波只包含奇次諧波）

作為一個簡單的經(jīng)驗法則，當(dāng)測量50%占空比的方波的一次諧波（基次諧波）時，鎖相放大器測量的振幅R≈0.45×峰間振幅a。

結(jié)論

通過同步兩個SR542光學(xué)斬波器，可以實現(xiàn)斬波光束的占空比的精確數(shù)字控制。與其他占空比控制方法相比，這大大簡化了占空比的設(shè)置和占空比的掃描。特別是，通過使用SR542的遠(yuǎn)程USB接口和一個簡單的數(shù)據(jù)收集回路，使得涉及可變占空比的自動化設(shè)置與檢測成為可能。

在斬波器2的相位可以作為占空比的調(diào)整因子之前，兩個斬波器的相位對齊環(huán)節(jié)需要手動操作。這個過程很簡單。即使斬波光束作用于光電探測器產(chǎn)生的信號太弱，無法在示波器上直接顯示完美波形，通過鎖相放大器處理探測器的輸出，兩個斬波器的同步和相位對齊也是可以完成的。

該技術(shù)可以用于SR542的任意一種斬波片，以用于優(yōu)化您的實驗的光束尺寸和理想的斬波頻率。

參考文獻