許多測量要處理的是一個很弱的直流光信號：光一直照著，探測器給出一個穩(wěn)定的讀數(shù)。這種接法簡單，但有個麻煩——讀數(shù)的緩慢漂移與低頻噪聲，和信號本身處在同一個頻段，分不開。

常見的解決辦法是人為把光切斷：讓它交替地通與斷，信號就從直流變成了交流，被挪到另一個頻率上去。這一步叫調(diào)制，做這件事的器件叫斬波器。

一、把直流信號變成交流，是為了躲開什么

噪聲隨頻率的分布并不均勻：低頻段噪聲隨頻率降低而升高，中高頻段則基本平坦。直流信號恰好落在噪聲最大的那一頭，而光源強度漂移、電路零點漂移也都是緩慢變化的低頻量——它們和有用信號混在一起，無法區(qū)分。

圖1：噪聲的頻率分布與調(diào)制的作用

調(diào)制把信號挪到噪聲平坦的頻段，帶來三個好處：躲開低頻噪聲，靈敏度明顯提高；避開漂移，緩慢變化的分量被濾掉；可配合鎖相放大，有確定頻率作參考，就能把同頻信號從噪聲里挑出來。

代價也有：信號的平均幅度被削掉一部分，而且需要額外一套參考通道。因此信號本身已經(jīng)很強、或者只關(guān)心平均值時，直接測直流反而更省事。還有一種情況不必外加機械斬波——半導(dǎo)體光源可以直接調(diào)驅(qū)動電流，本身就能調(diào)制。

還有一個量容易被忽略：開口數(shù)與占空比是兩回事。開口數(shù)決定頻率，占空比決定通光時間占比。同一個盤上，把開口開得窄一些，頻率不變但占空比下降，平均光通量隨之降低——需要控制曝光量時可以這樣調(diào)，但信號幅度也會跟著減小。

二、斬波盤怎么把光切成一段

機械斬波器的核心是一片開有槽口的盤，盤旋轉(zhuǎn)時光束交替通過實心與開口部分，出射就變成了斷續(xù)光。盤片樣式有幾種：等分扇葉開口與實心各占一半，占空比固定為百分之五十；不等分扇葉開口占比可調(diào)，適合需要控制通光時間的場合；雙圈盤內(nèi)外兩圈槽數(shù)不同，一個盤可以提供兩個頻率。

圖2：盤片樣式與頻率的由來

頻率由轉(zhuǎn)速和槽數(shù)決定，關(guān)系是調(diào)制頻率等于每秒轉(zhuǎn)數(shù)乘以盤上開口數(shù)。所以提高頻率有兩條路：轉(zhuǎn)得更快，或者槽數(shù)更多。但轉(zhuǎn)速有上限，槽數(shù)又受盤徑與加工精度限制，兩者都到不了太高——常見的機械斬波頻率在幾赫茲到幾千赫茲之間。

機械方案的特點是結(jié)構(gòu)通用、對波長不敏感（從紫外到遠紅外都能用），但也有固有短板：頻率穩(wěn)定度有限，轉(zhuǎn)速會隨電源與負載波動；存在抖動，盤片加工誤差與軸承跳動會帶來相位抖動；此外還有運動部件的磨損與噪聲問題。

還有一類器件介于兩者之間：旋轉(zhuǎn)快門與高頻斬波的組合裝置，既能長時間保持開啟，又能在需要時切入調(diào)制狀態(tài)。這類裝置在需要交替做成像與調(diào)制測量的場合比較實用，代價是結(jié)構(gòu)與控制都更復(fù)雜。

三、快門和斬波器不是一回事

兩者結(jié)構(gòu)相近，用途不同。斬波器求的是頻率，連續(xù)不停地開合，輸出一串方波；快門求的是通斷，按需要開一次關(guān)一次，平時停在某一種狀態(tài)。

圖3：斬波器與快門的區(qū)別

選快門主要看四個數(shù)。開關(guān)時間：從全關(guān)到全通需要多久，越快越貴。常開或常閉：斷電時處于哪種狀態(tài)，通常按安全要求來定—— laser 意外泄漏時希望它關(guān)上，就選常閉。重復(fù)頻率：每秒能開關(guān)多少次，連續(xù)工作時不能超過這個上限。壽命也是硬指標(biāo)，機械快門有明確的開關(guān)次數(shù)上限。

還有兩點常被忽略：通光孔徑要留余量，按光束實際直徑選，遮擋邊緣會引入衍射；發(fā)熱量要考慮，頻繁開關(guān)會發(fā)熱，密閉空間需留意散熱。

這三種方式各有適用波段。直接調(diào)電流只適用于半導(dǎo)體光源；電光與聲光調(diào)制則要看晶體材料在具體波長上是否透明、是否有合適的效應(yīng)強度——選波長時器件可選范圍會明顯變窄，這一點與機械斬波的通用性正好相反。

四、不靠機械運動，也能調(diào)制

機械斬波有頻率上限，速度要求高時就得換方案。常見的非機械調(diào)制有三種。

圖4：三種非機械調(diào)制方式

直接調(diào)電流最省事，改半導(dǎo)體光源的驅(qū)動電流即可，但波長會跟著抖（也就是啁啾），對波長敏感的測量不適用。電光調(diào)制用電場改變晶體折射率，速度快、可達吉赫茲量級，代價是需要高壓驅(qū)動。聲光調(diào)制用超聲波在介質(zhì)里形成光柵，可以順便移頻，但衍射效率有限。

取舍上：要通用就選機械（對波長不挑，一套設(shè)備覆蓋多個波段）；要速度或穩(wěn)定度就選非機械；預(yù)算有限-時機械方案的價格通常低一個量級。頻率不是越高越好，夠用即可——它決定的是后面鎖相放大的工作點。

非機械方案在這一點上有額外優(yōu)勢：參考信號由驅(qū)動電路直接給出，與調(diào)制嚴格同源，不存在機械方案那種轉(zhuǎn)速抖動帶來的相位誤差。因此對頻率穩(wěn)定度要求高的測量，往往更傾向用電光或聲光方式。

五、調(diào)制之后，信號怎么被挑出來

斬波器在切光的同時會輸出一個同頻的參考信號，后端靠它把有用信號認出來。整條鏈路是：調(diào)制 → 探測 → 取參考 → 相乘。

圖5：鎖相檢測的基本原理

相乘這一步是關(guān)鍵：探測器輸出與參考方波相乘后取平均，同頻的部分留下，不同頻的互相抵消。噪聲與參考不同頻，平均后趨近于零。這就是鎖相放大能把微弱信號挖出來的原因。

用的時候要注意四點。頻率要錯開干擾：避開電源頻率及其諧波，也避開環(huán)境振動頻率。占空比影響幅度：開口占比越小，信號幅度越低，但背景光也進得更少。時間常數(shù)要權(quán)衡：濾得干凈與跟得上變化不可兼得——時間常數(shù)越長濾得越干凈，響應(yīng)卻越慢。參考通道要接對：參考沒接或相位不對，輸出會明顯異常。

安裝上還有一項容易被忽略：斬波器自身也會振動。盤片高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的機械振動會通過安裝面?zhèn)鞯焦鈱W(xué)平臺，若平臺隔振不佳，這個振動會反過來影響光路對準。因此斬波器通常建議單獨安裝，或放在遠離核心光路的位置。

六、選斬波方案要看哪些參數(shù)

選型時通常在這五個參數(shù)之間權(quán)衡。

調(diào)制頻率決定能否躲開低頻噪聲，機械方案上限明顯，需要更高頻率就得換非機械方式。頻率穩(wěn)定度決定長時間測量的可信度，機械方案較差，電子方案明顯更好。

圖6：選斬波方案要看的參數(shù)

占空比影響信號幅度，常見為百分之五十，部分盤片可調(diào)。通光孔徑決定是否需要擴束，要按光束實際直徑留余量——盤片做大才能開大孔，轉(zhuǎn)動慣量隨之上升，因此頻率與孔徑常?；ハ酄恐?。

相位抖動容易被忽略：它取決于轉(zhuǎn)速控制精度，也受盤片加工影響，抖動大了會吃掉鎖相檢測的余量。若測量對頻率穩(wěn)定度要求高，宜直接考慮電光或聲光方案。

還有一項實際考量：調(diào)制頻率要避開環(huán)境的機械振動頻率。實驗室的振動源、風(fēng)扇與設(shè)備的轉(zhuǎn)動頻率都可能落進測量頻段，若與調(diào)制頻率接近，會被一同檢測出來，表現(xiàn)為讀數(shù)不穩(wěn)。選址實測一遍背景頻譜，往往比事后排查省事。

七、總結(jié)

調(diào)制的目的是把直流信號挪到噪聲平坦的頻段，從而躲開漂移與低頻噪聲，并讓鎖相檢測有參考可用。斬波器用旋轉(zhuǎn)盤片實現(xiàn)這件事，快門則用于按需要通斷，兩者用途不同。

調(diào)制頻率等于每秒轉(zhuǎn)數(shù)乘以盤上開口數(shù)，機械方案通常在幾赫茲到幾千赫茲之間。

相乘后取平均是鎖相檢測的核心：同頻信號留下，不同頻的噪聲相互抵消。

機械方案通用且便宜但頻率與穩(wěn)定度有限，電光或聲光方案速度快、穩(wěn)定度好但需配套驅(qū)動。

頻率與時間常數(shù)是一對需要一起定的參數(shù)：頻率選高了能躲開更多低頻噪聲，時間常數(shù)選長了濾得更干凈，但兩者都會讓響應(yīng)變慢。實際操作中往往先定一個大致頻率，再按信號變化速度反推時間常數(shù)能取多大。

還要說明的是，斬波解決的是「信號被淹沒」的問題，它并不能改善探測器本身的噪聲或光源的穩(wěn)定性——如果信號弱到接近探測器的噪聲底，調(diào)制也幫不上忙，這時要換的是探測器而不是調(diào)制方式。