锁相放大器在光学及光子学实验中对于信号的优化 —— 在线研讨会 Q&A
8 月 15 日19 点 30，苏黎世仪器举办了一场主题为“锁相放大器在光学及光子学实验中对于信号的优化”的在线研讨会。
光学及光子学应用一直是锁相放大器诸多应用中重要的一部分，本次研讨会介绍了在光学、光子学中应用锁相放大器的相关内容，并围绕下面三个部分进行展开：
- 锁相放大器的基本原理
- 锁相放大器的光学应用
- 利用双调制方案如何提高超快光学实验中信号测量信噪比
本次研讨会的目的是，一方面帮助那些对锁相放大器并不了解的用户了解其基本原理，另一方面希望对于那些已经使用锁相放大器的光学、光子学研究人员测到更精确的信号。
在本次研讨会中，我们收到了来自全国甚至海外的近 50 个问题。受限于时间，我们在直播中仅仅回答了部分。现在我们将其余问题进行汇总后统一解答。
Q&A
Q: 怎么测量阻抗啊，与网络分析仪相比有什么优势？
A: 5 MHz以下的阻抗测量可以使用MFIA 进行测量，50 MHz 以下的阻抗测量可以使用 HF2LI+ HF2TA 进行测量，用锁相放大器测量阻抗和网络分析仪不能说哪个更好，只有侧重不同，锁相放大器厉害之处在于可以分析时域信号，网络分析仪更加擅长频域分析。
Q: 锁相放大器的精度跟什么有关系呢？能测量多微小的信号呢？
A: 这是一个不太容易回答的问题，首先，锁相放大器并不像示波器一样，它不是一个直接检测并输出数据的仪器，其测量结果的精度和输入端的噪声，量程，解调频率，解调器的低通滤波器带宽，roll-off 阶数等参数都有关系。从输入的微小信号和输入端的关系来说，可以从输入端的灵敏度和输入端的噪声密度水平来衡量。
Q: 最终得到的输出值大小是实际的那个微弱的信号的大小吗？
A: 最终的结果是解调值，而解调值为输入信号在解调频率附近解调得到的有效值，具体计算请参考锁相测量原理白皮书。
Q: 锁相零差测量是怎么实现的？
A: 请参考锁相测量原理白皮书。
Q: 用LabVIEW也可以控制锁相放大器吧？
A: 可以，点击下载中心找到LabVIEW的驱动以及示例
Q: 锁相放大器可以测量短脉冲信号吗？
A: 可以，对于一些低频+低占空比的信号，例如千赫兹的飞秒、皮秒脉冲激光激光器，可以使用 BOXCAR 功能提升信噪比。
Q: 用锁相放大器可以锁定激光器频率不？
A: 可以，请参考光学锁相环应用
Q: 请问参考信号的频率如何确定的呢？需要提前知道被测信号的频率？
A: 您可以使用内参考模式，即里用锁相放大器输出参考信号，并用这个参考信号的频率进行解调，也可以使用外参考模式（Extref）跟踪来自外部的参考信号，教程可以参考视频。
Q: 用信号发生器产生信号输入锁相进行幅值测量，没发现被放大，所以放大是什么意思
A: 我在报告中提到，锁相放大器虽然名称中带有“放大器”，但其实并不是常规意义理解的类似于电压放大器一样的 电子设备，而是可以用显微镜作类比，即只关注调制频率附近的信号成分，摒弃其他频率的噪声。
Q: 数据采集卡自带的虚拟锁相放大器和单独的锁相放大器的差别在哪里啊?
A: 理论上，基于算法的数采卡锁相放大器和单独的锁相放大器效果类似，这是建立在固定参考频率的设置并不会引起相位漂移的前提下成立的，但是在实际的实验中，参考频率通常都会漂移，继而引起相位漂移，而独立的锁相放大器通常都可以利用锁相环锁定住相位并跟踪参考频率。
Q: 必须是高频信号吗？超低频的超弱信号可以放大吗？还是说只要是周期信号都可以。比如说接单光子探测器可以提取到单光子信号吗？
A: 并不一定是高频信号，只不过高频的信号可以尽量远离1/f以及低频段的噪声，单光子信号的提取也可以基于高频的调制，两者并不矛盾。
Q: 泵浦探测实验里，斩波器分别放在 泵浦一路或则探测的一路会有什么区别吗？
A: 这是一个挺复杂的问题，我并不能在有限的篇幅里回答，理论上，利用相同的调制频率对两束光进行调制得到的结果应该是类似的，但是由于脉冲频率的变化会造成不同的非线性光学层面的光学性质变化以及缓慢的热学层面的变化。不过苏黎世仪器的锁相放大器的优势在于可以通过参数扫描仪、BOXCAR选件、调幅调频选件等功能比较以上猜想达到的结果
Q: 锁相放大器的信噪比和哪些模块和参数有关？
A: 提高信噪比有很多的方法，一方面和硬件相关，即要在测量线路中减小噪声来源。从解调器层面来说，通常和低通滤波器的设置相关，当然您也可以利用双调制，BOXCAR等技术提高信噪比。
Q: 里面的锁相环带宽是多大？它受那些因 素的影响？这个仪器能不能用于稳频？
A: 锁相环的带宽请参考苏黎世仪器的锁相环页面, 苏黎世仪器的锁相放大器非常适合激光稳频应用。
Q: 怎么做倍频-多倍频的锁相测量？
A: 请参考谐波测量的视频教程。
Q: 锁相放大器可以和示波器结合起来使用吗
A: 可以，苏黎世仪器的锁相放大器也自带示波器功能
Q: 请问锁相放大器和斩波器搭配测量上升下降沿如何进行？
A: 在锁相放大器的界面中，是可以选择连续采集(continuous)或者触发采集的。可以将斩波器连接到仪器的触发输入端并利用外参考锁住频率后，在触发采集中，可以选择上升沿、下降沿、高电平等模式进行采集。
Q: 太赫兹时域光谱中的Ref连斩波器还是连延迟线？
A: 通常来说，如果您说的Ref指的是频率输入端，那就需要连接斩波器的频率输出端，并打开外参考模式进行采集。
Q: 双调制时，边带解调还是中心解调?
A: 都可以解调，通常来说，我们关心的都是边带的信号，您也可以同时对中心频率和边带进行测量并比较。
Q: 在optp系统中双锁相连用相较于单锁相对于信噪比的提升效果大概是多少？两个斩波器的频率该如何设置呢？
A: 对于超快光学实验来说，并不是所有的场景都适合双调制的，如我们在直播中所言：1.光与物质并不能有效耦合或者耦合效率很差。2. 样品可以被静态调制光学性质。 3. 光路中会遇到调制噪声 等情况下可以考虑用双调制技术提高信噪比。一般的原则是两个调制频率互质。
Q: 锁相放大器的积分时间和光谱分辨率有什么样的关系？
A: 这两者之间并没有直接关系，但是存在间接关系。积分时间越长，得到一条时域光谱的实验时间通常也就越长，如果想提高光谱频率分辨率的话，势必需要很长的时间。苏黎世仪器的锁相放大器有输入噪声小、软件优秀等优势，就可以在相同噪声水平下用更短的积分时间，也就赢得了更多的实验时间，可以在相同的实验时间内测量更长的时域光谱，提高光谱的频率分辨率。