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摘要
光學(xué)斬波器的斬波片通常以50%的占空比調(diào)制光束。這篇文章主要討論的是：可以通過(guò)層疊兩個(gè)相同的斬波片或使用特殊斬波片來(lái)實(shí)現(xiàn)<50%的占空比，所用的斬波片既有固定占空比設(shè)計(jì)也有可變占空比設(shè)計(jì)。單驅(qū)動(dòng)電機(jī)情況下，重新調(diào)整斬波片的占空比都需要關(guān)停斬波器。而改變占空比最靈活的方法是同步兩個(gè)SR542精密光學(xué)斬波器。這使得占空比可以連續(xù)從0%到50%進(jìn)行數(shù)字調(diào)節(jié)，并且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、自動(dòng)化測(cè)試。
改變占空比的意義：
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(jìn)行從而阻擋了50%的光束。然而，某些實(shí)驗(yàn)的待測(cè)樣品對(duì)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(duì)樣品產(chǎn)生的破壞)參考文獻(xiàn)【1-4】。在其他情況下，您可能需要為時(shí)間分辨或泵浦探測(cè)成像對(duì)激發(fā)脈沖進(jìn)行門控【5，6】。對(duì)于這些實(shí)驗(yàn)，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:
定制“通光"和“阻擋"槽位具有不同寬度的斬波片。
將兩個(gè)50%占空比的斬波片層疊安裝在同一個(gè)電機(jī)上，通過(guò)調(diào)節(jié)葉片相對(duì)的位錯(cuò)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)占空比
使用可變占空比的斬波片。
同步兩個(gè)光學(xué)斬波器，并調(diào)整其中一個(gè)葉片相對(duì)于另一個(gè)葉片的相位。
（注：如果您只需要一個(gè)固定的占空比，例如10%，選擇或定制一個(gè)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(jì)定制斬波片，我們?cè)赟R542 操作手冊(cè)中提供了設(shè)計(jì)指南。）
層疊斬波片
實(shí)現(xiàn)可調(diào)占空比的*簡(jiǎn)單方法可能是層疊兩個(gè)相同的斬波片，并將它們安裝在同一個(gè)斬波器的電機(jī)上，兩個(gè)葉片之間有一個(gè)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(jī)，松開安裝螺釘，并旋轉(zhuǎn)從屬葉片。由于是純手調(diào)，精確實(shí)現(xiàn)所需的占空比可能比較困難。
圖 2:通過(guò)將第二葉片(顯示為透明藍(lán)色)層疊在第一葉片上實(shí)現(xiàn)25%的占空因子，第二葉片相對(duì)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(hào)0542DF ）。這種特殊制作斬波片提供的孔徑占空比為 10%至 90%，步長(zhǎng)為10%。負(fù)載因子通過(guò)選擇葉片上的位置來(lái)選擇。通過(guò)選擇光束的位置來(lái)選擇占空比。因此，改變占空比就需要重新對(duì)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(tái)斬波器
控制占空比最靈活的方法是先同步兩個(gè)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(shí)現(xiàn)高精度的占空比控制。這實(shí)際上與圖2層疊在單個(gè)電機(jī)上的兩個(gè)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?cè)谑静ㄆ鞯妮o助下展示完整的斬波器同步流程：
使用示波器進(jìn)行相位對(duì)齊
首先，將兩個(gè)斬波頭放在光路中，光束通過(guò)所需的斬波片孔徑。具體而言，我們假設(shè)在兩個(gè)斬波頭上都安裝標(biāo)準(zhǔn)5/6雙槽斬波片（O54256 ），并對(duì)準(zhǔn)斬波片的外側(cè)孔徑。我們?cè)O(shè)置斬波器1為主斬波器，其參考頻率為內(nèi)置時(shí)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(shí)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(shí)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(cè)器的輸出端連接到示波器的通道4上。打開兩個(gè)斬波器電機(jī)，通過(guò)按下
按鈕，打開兩個(gè)斬波器的電機(jī) 。
將示波器的觸發(fā)設(shè)置為通道1，并適當(dāng)調(diào)整時(shí)間基準(zhǔn)，在顯示屏上可以看到幾個(gè)周期的信號(hào)。許多示波器都具備占空比測(cè)量功能。對(duì)于光電二極管采集的信號(hào)，使用這個(gè)功能可能很有幫助。您可能會(huì)看到類似于圖5a中的波形。請(qǐng)注意以下特征：
相位差??1?2為兩個(gè)斬波器1和2的參考信號(hào)之間的相位差。
相位差??s為斬波器1和光電探測(cè)器信號(hào)之間的相位差
光電探測(cè)器信號(hào)的占空比小于50% (Ton/Toff < 0.5)。
相位差??1?2是兩個(gè)斬波片的相位差。相移??s 是被測(cè)信號(hào)的相位差。參考輸出由位于每個(gè)斬波器電機(jī)底座上的光電探頭產(chǎn)生（如圖4所示的6點(diǎn)鐘位置），而被斬波的信號(hào)光束路徑則通過(guò)其他地方（例如，11點(diǎn)鐘位置）。
通過(guò)監(jiān)測(cè)光電探測(cè)器的信號(hào)，調(diào)整斬波器2的相位
，我們可以恢復(fù)斬波器1和2的*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(duì)齊2。一旦兩個(gè)斬波器相位對(duì)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(gè)Rel點(diǎn)為參考。
現(xiàn)在我們可以通過(guò)斬波器2的相位設(shè)置實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制占空比，這可以通過(guò)前面板旋鈕、鍵盤或USB遠(yuǎn)程接口輕松實(shí)現(xiàn)。這個(gè)功能可以實(shí)現(xiàn)電控優(yōu)化信號(hào)強(qiáng)度或者占空比掃描。且無(wú)需停止電機(jī)來(lái)調(diào)整層疊的葉片相位差，也不必重新對(duì)準(zhǔn)光路。(在每次相位調(diào)整后，斬波器2需要一點(diǎn)時(shí)間來(lái)穩(wěn)定并重新獲得“Chopper Locked"狀態(tài)。對(duì)于較小的相位調(diào)整，所需時(shí)間非常短，通常是小于1秒)。
注意，當(dāng)您通過(guò)+?? 或 ???調(diào)整斬波器2的相位為0? 時(shí)，占空比將將小于最大值50%。占空比D = Ton /Toff 計(jì)算如下：
1可以通過(guò)調(diào)整斬波器1的相位來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閮蓚€(gè)電機(jī)都被斬波器1的內(nèi)部源時(shí)鐘控制，并且相位設(shè)定點(diǎn)Phase相對(duì)于該內(nèi)部參考。
2然而，“相位對(duì)齊"并不一定等同于參考輸出信號(hào)的邊緣重合。只有當(dāng)兩個(gè)電機(jī)的光電傳感器與光斑之間的角度距離*全相同時(shí)，才會(huì)是這種情況。下面將對(duì)此進(jìn)行討論。
圖4: .使用示波器對(duì)兩個(gè)SR542光學(xué)斬波器進(jìn)行同步和相位對(duì)準(zhǔn)的示意圖。斬波器1做為主時(shí)鐘，因此其Source Output與斬波器2的Ext Sync Input相連。兩個(gè)斬波器的Outer Slots Reference Output以及來(lái)自光電探測(cè)器的雙斬波光束信號(hào)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(duì)于我們上面通過(guò)相位對(duì)齊程序設(shè)置的“0"）。
由于兩個(gè)斬波片的占空比設(shè)計(jì)都為50%，因此使用這種方法不可能實(shí)現(xiàn)占空比大于50%的光脈沖。對(duì)于占空比為D1和D2的兩個(gè)斬波片，該方法的最大可實(shí)現(xiàn)占空比小于D1和D2，最小可實(shí)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(shí)驗(yàn)架構(gòu)相比，雙斬波光束并沒(méi)有增加額外的相位抖動(dòng)。對(duì)于占空比小于50%，一個(gè)斬波器負(fù)責(zé)控制光束導(dǎo)通（光電探測(cè)器輸出的上升沿），而另一個(gè)控制光束關(guān)斷（下降沿）。因此，雙斬波架構(gòu)的相位抖動(dòng)近似于每個(gè)斬波器分別產(chǎn)生的相位抖動(dòng)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(qiáng)度也會(huì)減小。因此，在解釋作為占空比函數(shù)獲得的數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)該小心，因占空比過(guò)小（時(shí)常是無(wú)意中的過(guò)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(dá)到50%占空比時(shí)，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*全相同的位置（例如11點(diǎn)鐘方向）穿過(guò)每個(gè)斬波器的葉片，并且光中斷的位置在每個(gè)電機(jī)上相同時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)這種情況3。因此，光電探測(cè)器信號(hào)本身是實(shí)現(xiàn)調(diào)整雙斬波占空比唯*直接和可靠的方法。
如果光電探測(cè)器輸出的信噪比（SNR）很差，那么您可能無(wú)法直接在示波器上檢測(cè)到完好的矩形波形，更不用說(shuō)測(cè)量其占空比了。在這種情況下，執(zhí)行相位對(duì)齊過(guò)程需要使用增加鎖相放大器進(jìn)行微弱信號(hào)處理。
使用鎖相放大器的相位對(duì)齊的流程
為了建立兩個(gè)斬波器之間的相位對(duì)齊，我們首先需要記錄一個(gè)單斬波50%占空比波束的基線鎖定信號(hào)。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(duì)于高槽數(shù)葉片，電機(jī)底座上的光中斷器的橫向和垂直位移將使參考輸出信號(hào)產(chǎn)生更大的相移。
(a) 初始波形
(b) 相位對(duì)齊波形
圖 5: 模擬光束通過(guò)兩個(gè)斬波器的示波器示意圖。(a)在相位對(duì)齊之前，斬波器1和斬波器2的信號(hào)之間存在相位差?φ1?2 ，光電探測(cè)器信號(hào)占空比(Ton /Toff )很可能為小于50%。(b)在相位對(duì)齊之后，光電探測(cè)器輸出波形有50%的占空比。光探測(cè)器信號(hào)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(cè)器輸出端4，并根據(jù)您的信號(hào)設(shè)置靈敏度、時(shí)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(jī)已經(jīng)啟動(dòng)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(shí)鐘基準(zhǔn)，將其參考輸出提供給兩個(gè)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?yàn)殒i相放大器自己的鎖相環(huán)可以跟蹤實(shí)際的葉片運(yùn)動(dòng)。
此時(shí)，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(lái)調(diào)整斬波器葉片的靜態(tài)位置。在監(jiān)測(cè)鎖相放大器上的信號(hào)幅度R的同時(shí)，調(diào)整斬波器2的相位，直到信號(hào)達(dá)到最大值。斬波器2已處于“beam pass."的狀態(tài)。記錄信號(hào)的幅度（和相位θ），因?yàn)檫@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(hào)幅度R將減小，相對(duì)于參考信號(hào)的相位θ也會(huì)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(hào)的幅度和相位。此時(shí)，斬波器已經(jīng)是相位對(duì)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(duì)于此零點(diǎn)的相位調(diào)整。現(xiàn)在可以通過(guò)斬波器2的相位調(diào)節(jié)并使用方程(1)來(lái)計(jì)算占空比。
鎖相放大器信號(hào)分析
我們有必要研究鎖相放大器信號(hào)對(duì)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(shí)域矩形波形。
x(t) = A for 0 ≤ (t mod T) < DT (2)
= 0 otherwise
其中T為信號(hào)周期，DT = Ton為處于“高"或“ON"狀態(tài)所需的時(shí)間，因此D表示占空比（0≤D < 1）。見圖7。
這個(gè)信號(hào)可以用以下形式的傅里葉級(jí)數(shù)來(lái)表示：
(3)
為了進(jìn)行比較，在一個(gè)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(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)下兩個(gè)SR542光斬波器的同步和相位對(duì)齊。
圖 7: 一個(gè)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(duì)應(yīng)于Y通道的輸出，而bn將對(duì)應(yīng)于X通道的輸出。
方程式(3)的計(jì)算DC term的方法如下：
(6)
系數(shù)an 的計(jì)算方法如下：
(7)
系數(shù)bn的計(jì)算方法如下：
(8)
使用an和bn，我們可以計(jì)算一個(gè)已給定的諧波、占空比以及峰峰值的信號(hào)對(duì)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(lái)自于鎖相放大器的RMS計(jì)算。對(duì)于 0≤D < 0.5的計(jì)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(jì)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(cè)量簡(jiǎn)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(gè)簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)法則，當(dāng)測(cè)量50%占空比的方波的一次諧波（基次諧波）時(shí)，鎖相放大器測(cè)量的振幅R≈0.45×峰間振幅a。
結(jié)論
通過(guò)同步兩個(gè)SR542光學(xué)斬波器，可以實(shí)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(jiǎn)化了占空比的設(shè)置和占空比的掃描。特別是，通過(guò)使用SR542的遠(yuǎn)程USB接口和一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)收集回路，使得涉及可變占空比的自動(dòng)化設(shè)置與檢測(cè)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(gè)斬波器的相位對(duì)齊環(huán)節(jié)需要手動(dòng)操作。這個(gè)過(guò)程很簡(jiǎn)單。即使斬波光束作用于光電探測(cè)器產(chǎn)生的信號(hào)太弱，無(wú)法在示波器上直接顯示完*波形，通過(guò)鎖相放大器處理探測(cè)器的輸出，兩個(gè)斬波器的同步和相位對(duì)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(shí)驗(yàn)的光束尺寸和理想的斬波頻率。
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