在超连续谱激光器的应用中，用户通常只需要覆盖特定光谱区域的光，例如可见光，近红外光等。因此只知道总功率是不够的，它不能告诉用户在其感兴趣的光谱区域中包含多少光。此时我们需要光谱功率密度这一参数，即在有限带宽波长中包含的光功率。假如大部分光在红外波段，那么对需要可见光的用户来说，即使该超连续谱激光器的总功率很高也是不可用的。同理，如果大部分光集中在用户所需的光谱区域内，那么较低功率的激光器也可满足使用。所以，在选择正确的超连续谱激光器时，光谱功率密度是比总功率更为重要的参数。

超连续激光器的光谱可以用连接到光谱仪的积分球来测量。平均功率可以使用功率计来测量。大多数探测器都被校准过，可以补偿响应的波长依赖性。但是很少的探测器可以测量超连续谱激光器的整个光谱范围。类似地，光谱仪也被设计成在特定的光谱范围内工作，不能测量整个光谱。由于这些测量限制，获得准确的光谱功率密度曲线是很困难的。

NKT Photonics建立了基于两个光谱仪，两个热功率计和若干滤波器的标准测量协议。使用滤波器来避免光谱仪中的串扰，并确保正确的功率测量。与波长有关的损耗会使得真实的光谱轮廓失真，因此必须仔细分析所有光学元件，以便能够进行正确的补偿。

为了说明测量方法的重要性，考虑一种“典型”但错误的测量光谱密度的方法如下：

图 1

1）通过分光计记录光谱

2）用探测器测量超连续谱激光器的总功率

3）用测得的总功率标准化光谱

图 2

图2给出了当使用正确的归一化和这种错误的“典型”测量方案时， EXR15激光器的光谱密度的比较。“典型”测量方案的误差主要是因为在分光计的检测窗口之外波段的光，其功率仍然被计算进来。其次，光谱仪本身有限的分辨率和全波段上不可靠的校准增加了总误差。

解决方案是将光谱分成若干可被探测器精确测量的部分，然后将各部分的数据合并，形成全光谱。NKT Photonics详细方案如下：

1、 所需设备：

两台光谱分析仪(Optical Spectrum Analysers)OSA1,OSA2;

积分球(Integrating sphere);

低OH光纤(low-OH delivery fiber);

两台功率计(2 power meters - 3W and 30 W);

两个EO2反射镜(2 EO2 mirrors);

1250纳米长通滤波器(1250 nm long pass filter);

2、 测量步骤：

图 3

1）激光经过两个EO2反射镜，使用OSA1记录频谱S1；（2nm分辨率，波长350-1750nm）

2）激光经过两个EO2反射镜，使用3w探头测量光功率P1；波长λ <800nm 

3）将S1 整合进P1；

图 4

4）使用OSA1记录频谱S2；（2nm分辨率，波长350-1750nm）

5）使用30w探头测量光功率P2；(800nm<λ<6000nm) 

6）将600nm处S2归一化到S1；

图 5

7）激光经过1250纳米长通滤波器，使用OSA2记录频谱S1；（2nm分辨率，波长1200-2400nm）

8）激光经过1250纳米长通滤波器，使用30w探头测量光功率P3；(800nm<λ<6000nm)

9）校正S3整合进P3；

10）校正S3归一化到S2；

11）整合总频谱，验证计算功率。

3、 归一化过程的例子：

图 6

图6给出了EXR15光源的典型光谱（S1，S2，S3）：可见光部分用两个EO2反射镜反射后用OSA1表征。该单元能够补偿内部光栅分辨率的变化和探测器响应的变化，滤波器能够抑制高阶衍射效应，传输光纤和积分球（IS）在这个波段中具有零波长相关损耗，因此，在400～1600 nm范围内提供了可靠的读数，不需要任何补偿就能获得正确的光谱形状。

EO2反射镜的损耗在400～800 nm 范围内中几乎为零（RAVG＞99%），而高于1000 nm的高损耗确保在OSA1的检测窗口之外几乎没有功率——如上图黑色线条所示。丢失的功率被确认为小于5%，这意味着归一化在该值内也是准确的。归一化是通过整合频谱，将其与所获得的面积进行划分，然后乘以测量的功率（1505mW）。然后将S2整合并归一化，与可见光范围（400～700 nm）中的归一化S1完美重叠。

图 7

图7显示了两个归一化光谱，红色曲线表示校正后的S2。

红外光谱S3在透过1250nm长通滤波器后用OSA2记录。因为OSA2在设备内受到显着的高阶衍射和杂散光的影响，所以必须使用过滤器。如果没有外部过滤器，在2微米时会检测到1微米的光，从而导致较大的混叠误差。由于来自内部检测器的电平误差以及积分球和输送光纤的损耗，需要进一步校正。

图 8

图8显示了OSA2探测器、传输光纤、积分球和滤波器传输的累积误差（额外损耗）。根据图8中的曲线校正S3，归一化为P3（2740mW）与校正后的S2合并。结果曲线如图9所示。该曲线被认为是光源的“真实”光谱曲线。

图 9

4、 校准验证

表征光谱形状和密度的另一种方法依赖于离散的窄带滤波器。可以在市场上买到具有几纳米光谱宽度的方形剖面的滤波器，用来验证我们的校准方法：首先，测量400-2400nm范围内滤波器的全部透射率以确保在期望的光谱范围之外不存在功率泄漏。之后通过补偿滤波器的插入损耗，发射功率直接给出滤波器传输窗内的平均频谱密度。10次测量的结果如图9黑色十字所示，因此可以确认全局校准过程是合理的。

5、 简化版本

上述完整过程是相当耗时的，并且需要昂贵的设备。超连续谱激光器的用户主要使用可见光或近红外光时，该过程可以简化为在两个EO2反射镜之后简单测量和归一化光谱。即进行步骤1-3作为快速方法，在400～1500 nm范围内得到正确的光谱形状和密度。

结论：

本应用指南强调了频谱功率密度重要性。同时，在选择超连续谱激光源时，必须阐明提供频谱功率密度的测量方法，以确保获得真实的光学性能。

来自www.nktphotonics.com <Spectral Density Measurements>