使用苏黎世仪器的UHFLI Boxcar进行脉冲激光实验

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UHFLI Boxcar脉冲激光实验平均仪的研制

2023年6月21日 Gustavo Ciardi

关键词：UHFLI，Boxcar averager，泵浦探测

Boxcar平均器（有时也称为“门控积分器”）是用于测量低占空比实验产生的信号的仪器。

包含在低占空比脉冲信号中的信息集中在短的持续时间内；因此，boxcar平均器背后的想法是只在信息存在的时间窗口内记录信号，而忽略信息之外的一切，即仅噪声。

要全面分析boxcar averager及其工作原理，请参阅我们的boxcar平均原理白皮书和相关视频。

苏黎世仪器UHF-BOX Boxcar Averager（UHFLI 600 MHz锁相放大器的升级选项）为用户配备了两个独立的数字Boxcar Averager单元，可通过LabOne用户界面或API进行配置。这篇博客文章的目的是利用数字信号处理的所有优势，为设置单元、优化测量以及从脉冲信号检测中获得最大效益提供实用指导。

介绍

在光学和光子学应用中，低占空比实验的一个广泛例子是泵浦探针光谱（图1中的草图）。这项技术包括用第一个激光脉冲（泵浦）激励样品，从而将其提升到某种激发状态。然后可以通过与第二个脉冲（探针）的相互作用来研究这种激发态的动力学；通过测量探针脉冲上的相对泵浦引起的强度变化（通常表示为 ΔA/A，其中 A 表示探针脉冲的强度）作为泵浦和探针之间时间延迟的函数，可以重建激发态的瞬态动态。这种技术最重要的优点之一在于时间分辨率仅受激光脉冲持续时间的限制。

因此，泵浦探针光谱如今已被广泛用于研究超快现象，其产生了许多不同的实验变化，例如受激拉曼散射（SRS）和太赫兹时域光谱。

然而，由于所研究过程的高度非线性，来自这些实验的信号幅度非常小（相对变化ΔA/A低至10-6或更小）。因此，正确的信号分析是实现高信噪比（SNR）和确保从测量中正确提取信息的关键。

为了最大限度地提高时间分辨率，泵浦探针光谱的许多实验实例都使用超短激光脉冲，以从几kHz到10 MHz的重复速率运行，并通过快速光电探测器进行测量。这种配置导致占空比极低的信号，例如，用100MHz光电检测器检测到的以100kHz重复率运行的100fs脉冲（即10ns上升时间）导致约0.1%的占空比，占空比被定义为PW*100/T，其中PW是脉冲宽度，T是重复率的倒数。

因此，在这些情况下，boxcar平均成为更好的测量方法，从而获得最佳的信噪比。

图1：泵浦探针光谱学的典型实验布局。

本视频详细介绍了在更一般的情况下配置UHF-BOX Boxcar平均器的步骤。

在这里，我们重点讨论脉冲激光光谱学的具体情况，重点介绍两种常见的使用情况，涵盖了大多数实验配置。

一个关键的实验参数是调制泵浦光束的频率，进而定义了我们的信号出现在探测脉冲顶部的频率。

只要可行，总是建议选择尽可能高的调制频率，上限是激光器本身重复频率的一半（即，一个脉冲“ON”和一个脉冲”OFF“）。事实上，这种条件使相关和1/f噪声贡献的影响最小化，并且只剩下从一个激光发射到下一个激光发射的不相关的噪声。然而，根据具体的实验配置，高调制频率可能并不总是可以实现的。

因此，可能的情况是：

1.                      泵浦光束的调制频率恰好是激光器重复频率的½，。

2.                      泵浦光束的调制频率<激光器重复频率的½，

案例1

除了最佳的噪声性能外，这种场景还有一个巨大的优点，即允许用户设置Boxcar单元，以直接获得由探测脉冲强度（即ΔA/A）归一化的相对强度变化，作为测量的输出。

现在让我们假设将光电二极管的电压输出连接到UHFLI的信号输入1，并在示波器上进行可视化。此外，我们将来自调制器的参考频率fmod（例如，来自斩波器的“同步”信号或到声光调制器（AOM）或电光调制器（EOM）的驱动信号，在下面的示例中约为72 kHz）提供给参考/触发输入之一。然后，仪器通过激活解调器4或8的ExtRef模式来锁相。

值得一提的是，到调制器的驱动信号也可以由UHFLI本身经由两个信号输出中的一个或作为来自触发输出之一的TLL信号来提供。

图2：外部参考连接到触发器1并锁定到振荡器4的锁定选项卡。

当时，每一秒脉冲携带与样本相互作用的信息。这可以在图3的示例性示波器中看到，其中每个后续脉冲的振幅都较小——为了可视化目的，效果被夸大了；如前所述，这些振幅变化通常在百万分之几或更小的数量级。

图3：光电二极管模拟脉冲信号的示波器拍摄。

如果我们现在使用Boxcar单元的嵌入式周期波形分析仪（PWA）分析信号，我们可以绘制参考频率的单个周期，从而可以看到两个后续脉冲。然后，我们可以将两个Boxcar单元配置为锁定到同一振荡器（锁定到的一个），并使用第一单元通过启用基线减法选项来测量这两个脉冲之间的差异，即ΔA，并且第二单元仅记录用于归一化的脉冲幅度，即A。即使在Boxcar第二单元中，我们现在只对测量该周期中的一个脉冲感兴趣，然而，建议启用基线减法选项，将窗口放置在不存在信号的时段中的某个位置，以消除任何潜在的DC或缓慢变化的分量。图4分别显示了这两个单元的配置。

图4：Boxcar单元1和2的配置。第一单元携带关于ΔA的信息，第二单元携带关于A的信息。PWA中的信号可以被绘制为相位或时间的函数。

值得注意的是，在两个脉冲之间的差异非常小的真实实验中，减法的顺序和选择用于归一化的脉冲并没有起到显著作用。

然后，使用UHFLI的算术单位执行归一化，方法是设置其中一个笛卡尔单元来执行Boxcar 1和Boxcar 2结果之间的比率，如图5左图所示。

重要的是，为了确保归一化是一致的，应该逐脉冲执行。这意味着，两个Boxcar单元的平均周期应设置为1（即，不应执行后续脉冲的平均），如图4中橙色突出显示的那样。

图5：算术单元（左面板）和辅助输出配置（右面板）。

此时，算术单元的输出是测量结果（ΔA/A），它可以保存在主机上——确保已设置算术单元数据传输速率至少是相应平均带宽的两倍——或者通过UHFLI的辅助输出从仪器输出，具有自定义缩放和偏移。为了提高信噪比，可以通过后处理对测量结果ΔA/A进行多次平均。同时，也可以输出各个Boxcar单元的结果（见图5，右侧面板）和/或使用Plotter工具将测量结果可视化为时间的函数，如图6所示。

图6：算术单元测量结果的可视化，与成比例。

案例2

如果，则来自光电二极管的信号在frep的激光脉冲顶部携带调制频率的信号分量。在图7中，示波器的截图显示了这种情况的一个例子，其中激光器的重复频率大约是调制频率的10倍。

图7：示波器上绘制的信号，其中可以识别和。为了可视化，调制的效果被夸大了。

在这种情况下，有必要采用两步方法：

1.                      将其中一个Boxcar单元锁定到激光器的重复频率，并测量到达探测器的所有脉冲的强度

2.                      对上述boxcar测量结果进行锁定测量，以调制频率对其进行解调

为此，我们需要为仪器提供和。如图7所示，这两个外部引用可以分别连接到例如触发器1和触发器2。

图8:PWA以运行，在该周期内产生单个脉冲。平均带宽必须大于，以确保调制信号的正确重构。

在这种情况下，重要的是要确保boxcar测量的平均带宽（可随平均周期的数量调整）大于——在上面的例子中，为10kHz，平均带宽设置为50kHz。事实上，如果不是这样的话，处的信号分量将被抑制。这种情况下Boxcar平均器参数的设置如图8所示。

如果我们现在使用Plotter工具将Boxcar单元的输出可视化为时间的函数，我们可以清楚地观察到信号是周期性的，周期等于1/（见图9）。这里，为了保证在绘图仪中正确重建信号，以采样/秒为单位的速率限制（以及速率）应该足够高，以正确解析信号的频率。这在数据传输速率（Sa/s）>2*的条件下转换。

图9：在频率下具有清晰周期信号的棚车测量结果。

此时，我们可以在内部将Boxcar第一单元的输出重定向到其中一个Aux输出，然后将该信号用作锁定选项卡中解调器之一的输入，解调频率设置为。该过程如图10所示。该解调的结果与ΔA成正比。

注意，信号重新路由在内部发生，因此在最短的时间内以高数值精度提取最佳SNR。此外，还值得一提的是，这种重新路由不受Boxcar装置的速率或速率限制参数的影响，因为辅助输出始终以28 MSa/s采样，无论信号是在内部重新路由还是从仪器物理输出。

图10：将信号重新路由到其中一个辅助输出（顶部），然后用其中一个解调器进行解调，以运行。在底部面板中，使用Plotter工具可以看到这种解调的结果。

与情况1不同，当时，通过脉冲幅度进行的信号归一化并不简单。要获得适当归一化的，就需要在没有泵感应贡献的情况下测量脉冲强度，即A，以与的测量方式等效。该程序可能需要对光学设置进行相当大的更改，以确保和测量之间的一致性和均匀性。