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光功率計探頭類型及如何選擇
來源： 閱(yue)讀：886 發布時間：2022-01-27 10:05:33
光功率計探頭類型及如何選擇

光電二極管探頭

光電(dian)(dian)二(er)極(ji)管探(tan)(tan)(tan)頭會根據(ju)接收到的(de)(de)(de)光功(gong)率(lv)和入(ru)射(she)光的(de)(de)(de)波(bo)長(chang)傳(chuan)輸(shu)電(dian)(dian)流(liu)信號(hao)。該電(dian)(dian)流(liu)將會輸(shu)入(ru)一個互(hu)阻放(fang)大(da)器中(zhong)(zhong)，互(hu)阻放(fang)大(da)器輸(shu)出的(de)(de)(de)電(dian)(dian)壓是與輸(shu)入(ru)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)流(liu)成正比的(de)(de)(de)。由于光電(dian)(dian)二(er)極(ji)管的(de)(de)(de)響應率(lv)是與光波(bo)長(chang)相關的(de)(de)(de)，所以實際探(tan)(tan)(tan)測的(de)(de)(de)光波(bo)長(chang)應在其(qi)中(zhong)(zhong)心工(gong)作波(bo)長(chang)附近(jin)才可以實現(xian)精確(que)(que)測量(liang)。功(gong)率(lv)計表頭通(tong)過與之相連接的(de)(de)(de)探(tan)(tan)(tan)頭可以確(que)(que)定在特(te)定輸(shu)入(ru)波(bo)長(chang)下(xia)的(de)(de)(de)響應率(lv)，并(bing)能夠根據(ju)測得的(de)(de)(de)光電(dian)(dian)流(liu)計算出光功(gong)率(lv)。

光電二極管探頭的工作原理(li)

一個(ge)(ge)光(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)(dian)(dian)二(er)極(ji)(ji)(ji)(ji)管(guan)（PD）實際上就(jiu)是一個(ge)(ge)半(ban)導(dao)體p-n結。當能量(liang)足夠(gou)的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)入射(she)到p-n結上時，p-n結將(jiang)會發射(she)電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)，從而在(zai)其中產生電(dian)(dian)(dian)(dian)流。光(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)(dian)(dian)二(er)極(ji)(ji)(ji)(ji)管(guan)可以(yi)在(zai)光(guang)(guang)(guang)(guang)伏模式(shi)(shi)(shi)(shi)或光(guang)(guang)(guang)(guang)導(dao)模式(shi)(shi)(shi)(shi)下(xia)(xia)工作。在(zai)光(guang)(guang)(guang)(guang)伏模式(shi)(shi)(shi)(shi)下(xia)(xia)，光(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)(dian)(dian)二(er)極(ji)(ji)(ji)(ji)管(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)陽極(ji)(ji)(ji)(ji)和陰極(ji)(ji)(ji)(ji)與(yu)一個(ge)(ge)負載電(dian)(dian)(dian)(dian)路相連接，這樣(yang)一來(lai)光(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)(dian)(dian)二(er)極(ji)(ji)(ji)(ji)管(guan)就(jiu)可以(yi)傳導(dao)電(dian)(dian)(dian)(dian)流。在(zai)光(guang)(guang)(guang)(guang)導(dao)模式(shi)(shi)(shi)(shi)下(xia)(xia)，光(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)(dian)(dian)二(er)極(ji)(ji)(ji)(ji)管(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)兩(liang)端(duan)被(bei)施加一個(ge)(ge)反(fan)向(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)偏壓(ya)，反(fan)向(xiang)電(dian)(dian)(dian)(dian)流的(de)(de)(de)(de)(de)大(da)小(xiao)取決(jue)于(yu)入射(she)光(guang)(guang)(guang)(guang)功率的(de)(de)(de)(de)(de)大(da)小(xiao)。反(fan)向(xiang)偏壓(ya)將(jiang)會大(da)幅度減小(xiao)光(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)(dian)(dian)二(er)極(ji)(ji)(ji)(ji)管(guan)對入射(she)光(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)響應時間(jian)。因此(ci)，光(guang)(guang)(guang)(guang)導(dao)模式(shi)(shi)(shi)(shi)常用于(yu)高速光(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)(dian)(dian)探測(ce)器。但是，在(zai)光(guang)(guang)(guang)(guang)導(dao)模式(shi)(shi)(shi)(shi)下(xia)(xia)，PD電(dian)(dian)(dian)(dian)流對溫度的(de)(de)(de)(de)(de)依賴性卻是一個(ge)(ge)明顯(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)缺點。

在(zai)功率測量應用中，光(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)二(er)極管(guan)探頭工作于(yu)光(guang)(guang)(guang)伏模式(shi)下。這(zhe)時，光(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)二(er)極管(guan)的(de)(de)(de)陽極和(he)陰極與一(yi)個(ge)互(hu)阻放大器的(de)(de)(de)輸入(ru)端相連接，該放大器可以(yi)將光(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)流(liu)轉化為(wei)輸出(chu)電(dian)(dian)壓。一(yi)個(ge)光(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)二(er)極管(guan)至(zhi)大可以(yi)傳導幾毫安的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)流(liu)。光(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)二(er)極管(guan)的(de)(de)(de)響(xiang)應率是傳導電(dian)(dian)流(liu)與入(ru)射光(guang)(guang)(guang)功率的(de)(de)(de)比值，通常以(yi)“安培/瓦”為(wei)單(dan)位。響(xiang)應率與制造光(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)二(er)極管(guan)的(de)(de)(de)材料以(yi)及(ji)入(ru)射光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)波長相關。光(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)二(er)極管(guan)的(de)(de)(de)max輸出(chu)電(dian)(dian)流(liu)被限制在(zai)IPD = f （Poptical）特征曲線(xian)的(de)(de)(de)線(xian)性部(bu)分，換言之，受到飽和(he)效應的(de)(de)(de)限制。

如果需要(yao)將可(ke)測(ce)光(guang)(guang)功率值(zhi)擴大到幾(ji)十毫瓦時，可(ke)以在光(guang)(guang)電二極(ji)管之前(qian)放置一(yi)片衰減片來增大可(ke)測(ce)量(liang)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)功率。通常情況下可(ke)以采用一(yi)片中性(xing)密度(du)（ND）濾光(guang)(guang)片。與響(xiang)應度(du)相類似，一(yi)片ND濾光(guang)(guang)片的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)密度(du)也(ye)是與波長(chang)相關的(de)(de)(de)(de)。隨著時間的(de)(de)(de)(de)增長(chang)，光(guang)(guang)電二極(ji)管的(de)(de)(de)(de)響(xiang)應率會由于(yu)老化而發生改變。對于(yu)直徑(jing)(jing)很小的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)束(shu)，如果入射(she)位(wei)置不同，光(guang)(guang)電二極(ji)管探頭的(de)(de)(de)(de)均(jun)勻性(xing)差異會導(dao)致(zhi)輸出電流的(de)(de)(de)(de)不同。如果光(guang)(guang)束(shu)直徑(jing)(jing)超(chao)過了PD探頭的(de)(de)(de)(de)有效區，可(ke)能會導(dao)致(zhi)錯誤的(de)(de)(de)(de)數(shu)據測(ce)量(liang)。

積分(fen)球探頭的工作原理

積分球的內表面在較寬波長范圍上具有高反射率。它是由基于PTFE的高反射性塊狀材料制成的，能夠抵抗熱、濕度和較強級別的輻射。
入射光束從積分球的內表面漫反射，在整個球體表面產生了強度均勻的分布。光電二極管凹陷在探測器端口內，以避免意外曝光。因此，由光電二極管檢測的光的衰減與探測器的有效面積除以球體表面積的值成比例。如果dPD 是探測器的有效面積的直徑，且dIS是積分球的內徑，那么衰減可用公式表示為： 
熱敏探頭
熱敏探頭可以傳遞與輸入光功率成正比的電壓。每個探頭的響應率數據都保存在其EEPROM中，可以通過表頭讀取。基于測得的探頭輸出電壓及其響應率，表頭可以將入射到探頭上的光功率值計算出來。
熱功率探頭的工作原理
熱敏探頭包含了若干個熱電偶，采用的是熱電效應（亦稱為塞貝克效應）工作原理，即任意導體在熱梯度中都會產生一定的電壓。因此，如果在兩個界面之間存在一個溫度差異，在兩個界面之間將會產生一個電勢差。該過程可以看做是珀爾帖效應的逆過程。
在一個熱敏探頭中，入射激光光束的能量會被熱勢電偶的入射表面吸收，并轉化為熱量。熱電偶的其它表面由于與探頭中的散熱器相接觸，仍然會保持相對低溫狀態。兩個表面之間的溫度梯度大小取決于入射光的功率。因此，冷、熱表面之間產生的電壓是與入射光功率成正比的。
熱敏探頭將光功率轉化為電壓的能力取決于探頭表面吸收光功率并將其轉化為熱量的能力。為了增強表面吸收，探測表面會鍍上一層膜。為了達到更好的效果，該膜層應與波長相關（即，吸收效率取決于入射波長），并具有較高的損傷閾值（即，具有承受較高光功率密度的能力）。
熱敏探頭的波長依賴性
熱電偶自身是對激光波長不敏感的—它只將熱轉化為電壓。但是，由于其附帶的吸收膜層會反射一小部分入射光，并且反射過程稍與波長有關，因此它才表現出對波長的依賴性。由于熱敏探頭所采用的鍍膜并不是透明的，故不會讓入射光從中透射，同時，在理想情況下，轉化過程的效率僅與反射（R）和吸收（A）因子有關，它們滿足R +A = 1或A = 1- R。 因此，吸收率與波長的函數關系可以通過測量某個特定波長范圍內的反射率進行計算。
能量探頭
能量探頭是基于熱釋電效應設計的。因此，它們可以傳遞與脈沖能量成正比的峰值電壓。如果表頭識別了一個熱釋電探頭，它會自動地探測峰值電壓，并根據響應率計算出脈沖能量。
熱釋電探頭的工作原理
熱釋電探頭可以歸類于熱探測器。它們可以直接將能量脈沖轉化為電壓脈沖，并且不會受到入射光波長的影響。這些探測器的組成材料具有共軸性，因此對諸如脈沖氣體激光器等光源的電磁輻射的干擾并不敏感。
每個探測器都鍍有一層黑色吸收層，可以在185納米至25微米的波長范圍內具有近乎常數的吸收率。這些探測器具有相當高的靈敏度，在實際應用中特別有優勢。這些探頭不需要額外的放大器，由于它們對干擾并不敏感，所以能夠測量微焦量級的激光脈沖。
max脈沖重復率取決于探頭的內部電容和負載電阻。所有探頭都可以用BNC插頭直接與一個示波器的1兆歐輸入相連接。一個小負載電阻（附帶100千歐電阻）可以用于獲得至高脈沖重復率，使其能夠測量至高為100Hz重復率的光源。這些探頭的響應靈敏度也對應地進行了標定。
所有熱釋電探頭均具有20 ms的熱敏時間常數，τ。該值表示探頭探測單束脈沖后需要的恢復時間。為了探測到正確的能量等級，脈沖光必須比0.1τ短，并且您的光源的重復率必須低于1/τ。
3種探頭：
光電二極管探頭: 這些探頭設計用于單色光源或近單色光源的功率測量，因為它們具有波長相關響應。這些探頭根據輸入光功率和波長輸出電流。電流輸入到跨阻放大器中，該放大器輸出一個正比于輸入電流的電壓。
熱功率探頭:這些熱電堆探頭由在超寬波長范圍內光譜響應相對平坦的材料制成，它們適用于寬帶光源( 例如LED和SLD)的功率測量。熱功率探頭的輸出電壓與輸入光功率成正比。
熱釋電能量計探頭: 我們的熱釋電探頭通過熱釋電效應產生一個輸出電壓，適合測量脈沖光源，重復率被探測器的時間常數限制。這些探頭輸出與輸入脈沖能量成正比的峰值電壓。
功率計表頭的選擇：
表頭將根據用戶輸入的波長來讀出響應值并計算功率或者能力度數。
光電二極管探頭根據輸入的光功率和波長輸出電流。電流流入互阻抗放大器內，然后輸出一個與電流成比例的電壓。光電二極管的響應率取決于波長，所以要得到精確的功率示數必須輸入正確的波長。表頭根據這個波長從探頭讀取響應度并根據光電流計算光功率。
熱敏探頭的輸出電壓正比于輸入光功率。根據測量的探頭輸出電壓和探頭的響應度，表頭將計算出入射光功率。
能量探頭基于熱電效應。它們輸出的電壓峰值與脈沖能量成正比。如果識別了能量探頭，表頭將使用一個峰值電壓探測器并根據探頭的響應度計算脈沖能量。
探頭選擇需要考慮的因素：
光束尺寸對比于探頭的有效區域
大多數探頭在其有效區域上無法提供完全均勻的響應（積分球探頭除外，因為它將這個特性整合到了設計的一部分中）。因此，為了克服這些不均勻問題，入射光應具有填充探頭有效區域的至少10%的直徑。然而，同樣重要的是不要過滿照射探頭（即，傳感器有效區域平面內的光束尺寸必須不能超過有效區域的大小）。對于高功率或高能量的光束，建議選擇比光束直徑大約20%至30%的探測器尺寸。
光束尺寸會影響一個光源是否在探頭的max允許功率和能力密度規格的范圍內。這些max額定值附帶在每個探頭的規格中。請注意，如果您的光束不具有平坦的空間強度分布，那么max功率或能量密度規格在光束的亮區域中必須不能被超過。例如，具有高斯強度分布的光束在光束中央不應具有超過功率（能量）密度規格的功率（能量）密度。
光源的線寬
使用熱探頭或熱釋電探頭時，可以忽略光源的線寬。然而，對于光電二極管探頭，產生的電流非常依賴于工作波長。如果光源的線寬大于10 nm (例如，LED)，那么功率計可能顯示不正確的功率讀數。
使用光電二極管探頭時，為了對于寬帶光源實現合理的功率測量，探測器的響應曲線必須在光源的線寬范圍上接近線性。如果功率計上的工作波長設定為光源的中心波長，那么在光源的波長關于中心波長對稱時測量的光學輸出功率將近似正確。
背向反射
光電二極管、中性密度（ND）濾光片的表面以及熱探頭的黑色鍍膜都會導致入射光的一些背向反射。如果這種背向反射進入設備的孔徑中，比如激光二極管或氦氖激光器，它可能會影響激光器的功率穩定性。我們建議相對于激光束略微傾斜功率計探頭，使得任何背向反射都不會進入激光器的輸出孔徑中。如果必需完全避免背向反射，我們建議使用我們的積分球探頭，因為入射光幾乎完全可以在探頭內被吸收。
環境光和雜散光
環境光或雜散光可以強烈影響自由空間應用中的測量精確性。通過重置探測器的零電平來減去恒定背景光。功率計無法補償變化的環境光，比如日光或室內光的開/關。在這些情況下，探頭需適當遮蔽以免受到環境光和雜散光的照射。
環境溫度
功率計一般都在室溫下校準（23 ± 5 °C）。
在大多數情況下，光電二極管探頭的響應度對比于整體測量精度會有±5%的可忽略的溫度相關性。然而，暗電流對于溫度很敏感，它可以干擾較低光功率的測量。這種情況下，建議進行適當調零。
相比之下，熱探頭會對發生在感熱盤與散熱器之間的任何溫度差有響應。探頭周圍氣流上的干擾或者散熱器溫度的增加（將感熱盤長期暴露到激光束的過程中可能會發生這種情況）都可能對精確的功率測量造成干擾。為了將這些效應降到min，探頭應該盡可能屏蔽氣流。探頭應該針對用戶的操作條件來適當調零。例如，冷探頭可以針對短時間測量進行調零。然而，對于長時間測量，應該允許探頭在調零之前達到某一熱平衡狀態（例如，在曝光約10分鐘后）。
降低噪聲以實現高精度測量
來自接地、線纜電容、溫度效應、雜散光和環境光，以及探測器的噪聲都可能干擾測量的精度。測量較低的光學功率時，這些噪聲源會造成更大的影響。下面是將噪聲效應降到min的一些提示和建議：
功率探頭應該直接接地(例如，通過安裝接桿)，因為外殼連接到功率計的數字接地端。
能量探頭應該安裝成它們從接地端隔離，因為外殼連接到功率計的模擬接地端。
因為探頭線纜可以傳導非常小的電流或電壓信號，并且移動線纜時，線纜的電容會引起干擾，對于非常小的功率或能量測量，線纜應該處于固定位置。
對于光電二極管探頭，帶寬應設定為"低"。對于熱探頭，應該關閉加速電路。
探測器噪聲對于Si或InGaAs探頭是低的。
自由空間應用中的長期測量需要恒定的環境光條件，或遮蔽來自外部光源的光路。
溫度應該在測量期間保持穩定。
基于光纖的測量
激光從光纖頭以圓錐形發射，開口角是光纖接受角的兩倍。光纖接受角可以通過下式計算：
其中NA是光纖的數值孔徑，n是折射率(對于空氣，n=1)。
對于典型的光纖，所發射的光的總角度(2Θ)在15°與25°之間。如果使用一個有角度的接頭，那么圓錐形將從光纖軸傾斜約4°。
為了獲得精確的測量結果，必須考慮從光纖頭到探測器位置所發生的光束擴張，以避免過度照射探測器。相反，要使高功率光纖激光器減小它的功率密度，光纖頭與探測器表面之間維持某一尺寸間隙。
對于測量具有較大發散角的光纖輸出，或者必須避免背向反射的應用，我們建議使用我們的積分球探頭。
基于光纖的測量而設計的探頭。這些探頭直接插到功率計中，在探頭與表頭之間沒有線纜，使測量的干擾降到min。
對能量探頭的特殊考慮因素
能量探頭基于熱釋電效應，并具有20 ms的熱時間常數。結果是，當探頭連接到1 MΩ的負載時，能量的測量限制在30 Hz至40 Hz的max重復率。下面概括了用于獲得精確能量測量的重要考慮因素。
觸發電平
熱釋電探頭提供峰值振幅與脈沖能量成比例的電壓脈沖。當功率計表頭操作于峰值探測器模式時，它指示的是各個脈沖的能量。觸發電平可以設置在所選能量范圍的0%至99%之間，并且它定義峰值探測器識別脈沖，開始記錄數據并等待到達峰值的較低閾值。因而，觸發電平必須設定成高于噪聲水平，低于預期能量。一種有效的方式是連接探頭，選擇所需范圍，并增大觸發電平，直到表頭停止連續測量功率位置。請注意，最后的測量值保持顯示在表頭上（能量測量模式中的峰值保持）。
重復率
脈沖重復率必須不能超過對于實際探頭類型指定的最大值。否則，測量的值會受到后續的脈沖影響。
增大max重復率
增大max可測量重復率的方式是將能量探頭與一個示波器（高電平-Z輸入）和一個100 kΩ終端電阻器一起使用（注意：我們通常在這種配置中為能量探頭提供一個校準值。可用低電壓進一步降低重復率，但是這將會減弱輸入到示波器的信號。各個探頭校準數據表中沒有提供低電阻下探頭性能的數據。）
脈沖長度
能量探頭可以探測和測量亞納秒范圍到約2 ms的持續時間的脈沖。max脈沖持續時間取決于兩個因素：
探頭的電氣時間常數，由探測器性能和負載電阻決定
探頭的熱時間常數
通常，熱時間常數具有更顯著的影響。
簡單的功能測試
能量探頭不僅對入射在吸收體上的光脈沖有響應，而且對機械脈沖也有響應。這個特性可用于快速檢查熱釋電探頭的可操作性。
松開紅色9個引腳的D-sub接頭，并將探頭的BNC線纜連到示波器輸入端。請確保該輸入設定成直流耦合，和“高電平-Z（High-Z）”。選擇適當的X和Y分辨率。
將探頭輕輕敲擊桌面。如果探頭正常運作，在示波器屏幕上應該會顯示脈沖。如果您看不到脈沖，試著更改Y靈敏度和觸發的設定。
脈沖信號的功率測量
功率計可以在以下條件下讀取脈沖信號的平均功率：
使用熱探頭
峰值功率低于探頭的損傷閾值。無論脈沖長度和重復率是多少，這都成立。因為熱探頭反應非常慢，它們會整合有效區域上的入射功率。
使用光電二極管探頭
光電二極管探頭可以分辨納秒級范圍的短脈沖。因此，脈沖峰值功率不應大于探頭的max功率范圍。如果脈沖峰值功率超過設定的功率范圍，讀數將會消減，并產生不正確的平均值。min-max顯示功能對于尋找適當功率范圍很有用。
帶寬設定也會影響某些脈沖長度和重復率下的功率讀數。使用'低（LOW）'帶寬設定進行穩定顯示，用'高（HIGH）'帶寬設定通過模擬輸出監測脈沖。
飛秒激光器
飛秒激光器的重復率多為幾百MHz，而脈沖持續時間是以幾十飛秒的數量級。熱探頭通常為測量平均功率提供較佳結果，因為脈沖的能量通常是適中的。然而，仍然重要的是核實光源不會超過所選探頭的max額定值。探頭規格的定義和用于計算脈沖特性的常見公式可查看定義標簽。

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