光功率计和能量计技术原理与选择

jf_64961214 2023-05-05 1103

电子说

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描述

光是一种电磁波，频谱范围从γ射线到无线电波。在这个范围内，我们最感兴趣的波段是激光探测波段，即从深紫外到100 μm。光也可以被看成是粒子，即没有质量和电荷、但有一定能量的光子。

对于激光测量中的光传播，常用的物理量是以nm或μm为单位的波长；对于光谱应用，常用波长的倒数，即波数，单位为cm-1；以THz为单位的频率常用于通信领域，这样载波频率和频道间隔就能以更简洁的数字表示；对于量子物理实验，大多数情况下，以eV为单位的光子能量是关键的表征参数，也是测量光的关键物理量。总而言之，光子都有一定的能量，能量越大，波长越短。

可以从2个角度来测量光。首先从辐射度量学角度，需要考虑整个光谱范围，且不引入权重。测量的量是以W为单位的辐射通量和以每平方米瓦特为单位的辐照度。测量电磁辐射时一般会用到辐射度单位。而光度测量对应人眼可见的光谱波段，测量包括以lm为单位的光通量和以lx为单位的光照度。测量光功率和能量就是基于辐射度学角度的。

功率或能量测量配置

光功率计或能量计由三部分组成。首先是探头，负责将光子能量转化为电流。然后探头中的信号通过表头完成数字化处理和加工，最终在表头显示屏或计算机的图形用户界面上显示出测量值。

1. 探头类型

a. 光电二极管探头

光电二极管的结构通常是1个PN结，中间是本征层，也称之为耗尽层或耗尽区，入射的光子在耗尽区激发自由电子和空穴，并引导它们分别向两极运动，从而产生光电流。

表征光电二极管时，我们会用到量子效率，这里其实是指内部量子效率，即产生的电子数与进入载荷子区的光子数之比，用于确定光电二极管的性能。光电二极管的响应度，对应外部量子效率，即产生的电子数与所有到达二极管表面的光子数之比，包括因表面反射或吸收而没有进入载荷子区的光子，所以一般内部量子效率高于外部量子效率。这种探头的优势和不足分别是：

由于探头包含与波长相关的组件，所以必须在其整个工作波长范围内进行校准。校准设备包括白光光源、单色仪、斩波器和锁定放大器。首先，使用经过外部校准的参考探头记录每个波长值下的功率；然后，将同样功率水平的光打在待校准探头上，得出的结果可以用来计算光谱响应度。

b. 热敏探头

热敏探头先将光子能量转化成热量，再转化成电流。热敏功率探头基于热电效应(亦称为塞贝克效应)：金属或合金的一端受热时会释放电子，电子会朝着较冷的一端移动，这是一种只要存在温度差就会产生的现象，产生于金属之间。

左图中使用了产生电子较少/较多的铁/镍，加热铁和镍的连接点，并假设两个冷接点都是同样的温度，则每开尔文产生1个电压。此外，热敏功率探头的响应呈指数函数变化。这里的关键参数是时间常数，即达到最终值的63%所需的时间，常用来表征响应速度或预测测量结果。比如看到右图红色曲线，就大概知道功率水平了，即在5倍时间常数之后达到99%的功率水平。

对于径向配置的热敏功率探头，热电偶围绕入射光区域呈环形排列，热量从中心位置水平流向边缘；而矩阵配置的探头，光入射在上层，热量垂直流向散热器。

热释电能量探头也是基于光子能量转化成热量的原理。它的两个电极之间嵌有热释电晶体，晶体中包含随机取向的偶极子，在恒温下表现出某种自发式极化。脉冲光打在有效区域时，随着热量扩散，偶极子会改变极化方向，并且吸收或释放电子，就有了充电和放电过程。注意，热释电探头只能用于脉冲光。能够探测的最高脉冲重复频率，大概在万赫兹级别，这与探头尺寸、探头镀膜以及负载阻抗相关。

将热敏探头用作测量头时，需要镀吸光膜。黑色膜在紫外到太赫兹具有最平坦的吸收度；当需要更高耐用性时，陶瓷膜是最好的选择；如需更快的速度，可以使用金属膜。尤其是对于热敏功率探头，良好的热管理必不可少，有效区域与散热器之间必须保持某种温度差。使用热敏功率探头测量较低的功率水平时，需要防止敏感区域受到黑体辐射。此外，也不要有任何通风或环境温度变化。所以热敏探头的优势和不足在于：

校准热敏探头通常需要2步。对于光谱校准，膜层的吸收率通过光谱仪表征，然后对比实际校准结果与外部校准参考。对于功率探头，参考标准通常使用的是1064nm的连续光；对于能量探头，参考标准通常也是1064 nm的脉冲光。

简要总结一下选购标准。对于连续光，只有光电二极管和热敏功率探头才适用。对于较高峰值功率的脉冲光，适用的是热敏功率或热释电探头。

2. 表头

纳安级的小电流或微伏级的小电压进入表头后先被放大到合理的电压水平，这个过程可能涉及到多级放大，放大倍数可能达到几十倍；然后通过信号滤波，过滤掉不必要的噪声或波动；再经过数字化处理，到达微控制器，并基于探头校准值计算功率水平；最后在显示屏上显示出测量值。针对每个测量范围，施加已知的电流和电压来校准表头。由于表头的准确度远高于系统的准确度，所以查看功率计测量准确度时，关注探头准确度就可以了。

3. 应用实例

此视频中还用多个实例阐述各类应用中可能遇到的一些问题，并提出了解决方案。下面仅是小部分实例内容以作参考，下方还列出了其他应用及对应时间点，以便您按需观看视频。

如测量更高功率，可使用ND滤光片或积分球衰减入射光。对于反射型滤光片，光束先经过入射面被散射以扩束，然后在背面滤光。这种滤光片在工作波长范围内透过率的线性度很好；吸收型滤光片由滤光玻璃制成，玻璃内部发生衰减，不会产生干涉和偏振效应，非常适合红外波段，但它的光谱线性度差，表面有菲涅尔反射，并且容易受温度影响；积分球的表面由漫反射材料制成，入射光在表面经过多次反射后分布均匀，然后少量的光在从探测器端口出射用来测量。

示例1是用准直光正入射，3个的测量值都是正确的，因为探头已经在基本相同的条件下经过校准。为了防止背向反射进入激光器，探头可以稍微偏离1到2度角。

如果入射角较大，2个带滤光片的装置测得的功率偏低。因为反射型滤光片扩大了光束，导致部分光不在有效区域上，而吸收型滤光片因为角度关系，菲涅尔反射变强，积分球则基本不受入射角影响，如示例2所示。

使用光电二极管探头时要注意，其有效区域在滤光片后面略凹陷的位置，所以如果光束刚好填满通光孔径或滤光片，由于光束继续发散，到达二极管时可能会过度填满有效区域。从示例3可看出，在发散光束下，前2种装置又会产生类似示例2的问题，测量值还是偏低，因此当入射角较大或发散角较大时，积分球是较好的选择。