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幾種光功率測量方法的介紹
來源：
閱讀：3965
發布時(shi)間：2023-03-09 11:17:20
光功率計(optical power meter )是指用于測量絕對光功率或通過一段光纖的光功率相對損耗的儀器。在光纖系統中，測量光功率是基本的，非常像電子學中的萬用表;在光纖測量中，光功率計是重負荷常用表。通過測量發射端機或光網絡的絕對功率，一臺光功率計就能夠評價光端設備的性能。用光功率計與穩定光源組合使用，則能夠測量連接損耗、檢驗連續性，并幫助評估光纖鏈路傳輸質量。
熱學法在波長特性、測量精度等方面較好，但響應速度慢，靈敏度低，設備體積大。這種方法探測器一般輸出的是uV、mV級別的電壓量。
光電法有較快的響應速度、良好的線性特性而且靈敏度高，測量范圍大但其波長特性和測量精度方面不如熱學法。這種方法一般輸出的是nA、uA級別的電流量。
熱學法就是先將光能被探測器表面吸收，轉換為熱量，然后再通過熱電探測器將熱量轉換為電量，最后通過電量指標確定功率大小的方法。
熱學法測量功率的探測器一般設計為如圖2.1.1結構（我們稱之為圓盤式熱電堆激光功率探測器）：
圓盤式熱電堆激光功率探頭由幾十個熱電偶串聯起來，整個熱電堆固定在環形云母架上，通過測量兩端電勢差來反映激光功率的大小。當激光光源照射在熱電堆探測器靶心時，產生熱量，熱量通過探測器轉換為電勢由中心沿著無源區向邊緣擴散，在熱電偶的熱端和冷端形成電勢差，最終輸出電壓，這種工作原理被稱之為熱電效應（也稱之為塞貝克效應）。
理論上，熱電偶對光波長不敏感，只是將熱量轉化為電壓。但是，由于熱電功率計探頭表面附帶的熱吸收膜層的材料特性，會反射一小部分入射光，而反射光的過程與波長稍有關系，因此熱電功率探頭對波長稍有依賴。
熱電功率探頭對波長的依賴性曲線如圖2.1.3和圖2.1.4所示。
其中SHC、HPB、BBF為熱吸收膜層材料，功率計探頭GCI-080220所用膜層材料為BBF，GCI-080250和GCI-0802200所用材料為HPB。
由于熱吸收膜層的材料不同，所以不同的探頭的損傷閾值是不一樣的。一般用作熱吸收膜層的材料都具有較高的損傷閾值（具有承受較高的光功率密度的能力），并且具有相對較強的光熱轉換效率。
因為熱電探測器輸出電壓一般較小，均為uV、mV級別的電壓量，所以后續一般都會涉及相應信號處理電路，熱學法測量光功率原理框圖如圖2.1.4所示。
光電法指的是通過光電探測器直接將光轉換為電量，然后通過電量指標確定功率大小的方法，實質上是測量光電檢測器在受光輻射后產生的微弱電流，該電流與入射到光敏面上的光功率成正比。
光電法測量功率一般都使用光敏面積較大的光電二極管探測器。光電二極管可以在光伏模式或光導模式下工作（如圖2.2.1）。在光伏模式下，光電二極管的陽極和陰極與一個負載電路相連接，這樣一來光電二極管就可以傳導電流。在光導模式下，光電二極管的兩端被施加一個反向的偏壓，反向電流的大小取決于入射光功率的大小。反向偏壓將會大幅度減小光電二極管對入射光子的響應時間。因此，光導模式常用于高速光電探測器
在功率測量的應用中，光電二極管要工作于光伏模式下，這時，光電二極管的陽極和陰極與一個互阻放大器的輸入端相連接，該放大器可以將光電流轉化為輸出電壓。一個光電二極管最大可以傳導幾毫安的光電流。光電二極管的響應率是傳導電流與入射光功率的比值，通常以“安培/瓦”為單位。響應率與制造光電二極管的材料以及入射光的波長極其相關。
光電二極管根據制作材料的不同，其光譜響應度也是不一樣的，且不同波長的光的響應度差異較大。不同材料制成的光電二極管的光譜響應度如圖2.2.2所示
一般情況下，使用光電二極管測量光功率，所測最大功率均不會很大（最大約3-5mW），若想測量更大的激光功率（最大測量功率擴展到幾十甚至幾百毫瓦），需要在探測器前放置衰減片。例如大恒光電的功率計探頭GCI-080101就是通過在探測器前增加衰減片的方式，將光電探測器的最大測量功率擴大到1W。
探測器前放置衰減片的方式雖然可以擴大功率計測量量程，但是衰減片的光透過率一般也與波長有關，這將增加功率計標定的難度。
3光功(gong)率(lv)計使用注意事項(xiang)
任何情況下不要讓眼睛直視光功率計的激光輸出口，對端接入光傳輸設備同樣不要用眼睛直視光源。這樣做會造成永久性視覺燒傷。
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。所以在使用光功率計測量光功率的時候，建議相對于激光光束略微傾斜照射到光功率計探頭有效探測面積上。
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（特別是對光電探頭的影響）。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。比如為探頭設置遮光筒等方法。
使用熱電探頭的時候，光源線寬可以忽略（因為熱電探頭對波長響應度基本一致）。然而對于光電探頭，探頭的響應度非常依賴于光源的工作波長，如果光源的線寬大于10nm，那么光功率計可能顯示不完全正確的功率讀數。這時，就要選擇光源的中心波長作為功率計的工作波長，才能測量到近似正確的結果。
如果所使用的光功率計含有電池，那么在不使用的時候，請給光功率計充滿電然后存放。如果長期不用，請每個月給電池充電一次，以保護電池。
隨著時間的增長，探測器的響應度會由于老化而發生改變，所以功率計使用要定期標定。
幾種光功率測量方法的介紹
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閱讀：3965
發布時間：2023-03-09 11:17:20
1光功率(lv)計基本(ben)基本(ben)介(jie)紹
光功率計(optical power meter )是指用于測量絕對光功率或通過一段光纖的光功率相對損耗的儀器。在光纖系統中，測量光功率是基本的，非常像電子學中的萬用表;在光纖測量中，光功率計是重負荷常用表。通過測量發射端機或光網絡的絕對功率，一臺光功率計就能夠評價光端設備的性能。用光功率計與穩定光源組合使用，則能夠測量連接損耗、檢驗連續性，并幫助評估光纖鏈路傳輸質量。
熱學法在波長特性、測量精度等方面較好，但響應速度慢，靈敏度低，設備體積大。這種方法探測器一般輸出的是uV、mV級別的電壓量。
光電法有較快的響應速度、良好的線性特性而且靈敏度高，測量范圍大但其波長特性和測量精度方面不如熱學法。這種方法一般輸出的是nA、uA級別的電流量。
熱學法就是先將光能被探測器表面吸收，轉換為熱量，然后再通過熱電探測器將熱量轉換為電量，最后通過電量指標確定功率大小的方法。
熱學法測量功率的探測器一般設計為如圖2.1.1結構（我們稱之為圓盤式熱電堆激光功率探測器）：
圓盤式熱電堆激光功率探頭由幾十個熱電偶串聯起來，整個熱電堆固定在環形云母架上，通過測量兩端電勢差來反映激光功率的大小。當激光光源照射在熱電堆探測器靶心時，產生熱量，熱量通過探測器轉換為電勢由中心沿著無源區向邊緣擴散，在熱電偶的熱端和冷端形成電勢差，最終輸出電壓，這種工作原理被稱之為熱電效應（也稱之為塞貝克效應）。
理論上，熱電偶對光波長不敏感，只是將熱量轉化為電壓。但是，由于熱電功率計探頭表面附帶的熱吸收膜層的材料特性，會反射一小部分入射光，而反射光的過程與波長稍有關系，因此熱電功率探頭對波長稍有依賴。
熱電功率探頭對波長的依賴性曲線如圖2.1.3和圖2.1.4所示。
其中SHC、HPB、BBF為熱吸收膜層材料，功率計探頭GCI-080220所用膜層材料為BBF，GCI-080250和GCI-0802200所用材料為HPB。
由于熱吸收膜層的材料不同，所以不同的探頭的損傷閾值是不一樣的。一般用作熱吸收膜層的材料都具有較高的損傷閾值（具有承受較高的光功率密度的能力），并且具有相對較強的光熱轉換效率。
因為熱電探測器輸出電壓一般較小，均為uV、mV級別的電壓量，所以后續一般都會涉及相應信號處理電路，熱學法測量光功率原理框圖如圖2.1.4所示。
光電法指的是通過光電探測器直接將光轉換為電量，然后通過電量指標確定功率大小的方法，實質上是測量光電檢測器在受光輻射后產生的微弱電流，該電流與入射到光敏面上的光功率成正比。
光電法測量功率一般都使用光敏面積較大的光電二極管探測器。光電二極管可以在光伏模式或光導模式下工作（如圖2.2.1）。在光伏模式下，光電二極管的陽極和陰極與一個負載電路相連接，這樣一來光電二極管就可以傳導電流。在光導模式下，光電二極管的兩端被施加一個反向的偏壓，反向電流的大小取決于入射光功率的大小。反向偏壓將會大幅度減小光電二極管對入射光子的響應時間。因此，光導模式常用于高速光電探測器
在功率測量的應用中，光電二極管要工作于光伏模式下，這時，光電二極管的陽極和陰極與一個互阻放大器的輸入端相連接，該放大器可以將光電流轉化為輸出電壓。一個光電二極管最大可以傳導幾毫安的光電流。光電二極管的響應率是傳導電流與入射光功率的比值，通常以“安培/瓦”為單位。響應率與制造光電二極管的材料以及入射光的波長極其相關。
光電二極管根據制作材料的不同，其光譜響應度也是不一樣的，且不同波長的光的響應度差異較大。不同材料制成的光電二極管的光譜響應度如圖2.2.2所示
一般情況下，使用光電二極管測量光功率，所測最大功率均不會很大（最大約3-5mW），若想測量更大的激光功率（最大測量功率擴展到幾十甚至幾百毫瓦），需要在探測器前放置衰減片。例如大恒光電的功率計探頭GCI-080101就是通過在探測器前增加衰減片的方式，將光電探測器的最大測量功率擴大到1W。
探測器前放置衰減片的方式雖然可以擴大功率計測量量程，但是衰減片的光透過率一般也與波長有關，這將增加功率計標定的難度。
3光功率計(ji)使(shi)用注意事(shi)項
任何情況下不要讓眼睛直視光功率計的激光輸出口，對端接入光傳輸設備同樣不要用眼睛直視光源。這樣做會造成永久性視覺燒傷。
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。所以在使用光功率計測量光功率的時候，建議相對于激光光束略微傾斜照射到光功率計探頭有效探測面積上。
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（特別是對光電探頭的影響）。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。比如為探頭設置遮光筒等方法。
使用熱電探頭的時候，光源線寬可以忽略（因為熱電探頭對波長響應度基本一致）。然而對于光電探頭，探頭的響應度非常依賴于光源的工作波長，如果光源的線寬大于10nm，那么光功率計可能顯示不完全正確的功率讀數。這時，就要選擇光源的中心波長作為功率計的工作波長，才能測量到近似正確的結果。
如果所使用的光功率計含有電池，那么在不使用的時候，請給光功率計充滿電然后存放。如果長期不用，請每個月給電池充電一次，以保護電池。
隨著時間的增長，探測器的響應度會由于老化而發生改變，所以功率計使用要定期標定。
