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光功率計(jì)和能量計(jì)技術(shù)原理與選擇

jf_64961214 ? 來源:jf_64961214 ? 作者:jf_64961214 ? 2023-05-05 07:08 ? 次閱讀

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光是一種電磁波,頻譜范圍從γ射線到無線電波。在這個范圍內(nèi),我們最感興趣的波段是激光探測波段,即從深紫外到100 μm。光也可以被看成是粒子,即沒有質(zhì)量和電荷、但有一定能量的光子。

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對于激光測量中的光傳播,常用的物理量是以nm或μm為單位的波長;對于光譜應(yīng)用,常用波長的倒數(shù),即波數(shù),單位為cm-1;以THz為單位的頻率常用于通信領(lǐng)域,這樣載波頻率和頻道間隔就能以更簡潔的數(shù)字表示;對于量子物理實(shí)驗(yàn),大多數(shù)情況下,以eV為單位的光子能量是關(guān)鍵的表征參數(shù),也是測量光的關(guān)鍵物理量??偠灾?,光子都有一定的能量,能量越大,波長越短。

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可以從2個角度來測量光。首先從輻射度量學(xué)角度,需要考慮整個光譜范圍,且不引入權(quán)重。測量的量是以W為單位的輻射通量和以每平方米瓦特為單位的輻照度。測量電磁輻射時一般會用到輻射度單位。而光度測量對應(yīng)人眼可見的光譜波段,測量包括以lm為單位的光通量和以lx為單位的光照度。測量光功率和能量就是基于輻射度學(xué)角度的。

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功率或能量測量配置

光功率計(jì)或能量計(jì)由三部分組成。首先是探頭,負(fù)責(zé)將光子能量轉(zhuǎn)化為電流。然后探頭中的信號通過表頭完成數(shù)字化處理和加工,最終在表頭顯示屏或計(jì)算機(jī)的圖形用戶界面上顯示出測量值。

1. 探頭類型

a. 光電二極管探頭

光電二極管的結(jié)構(gòu)通常是1個PN結(jié),中間是本征層,也稱之為耗盡層或耗盡區(qū),入射的光子在耗盡區(qū)激發(fā)自由電子和空穴,并引導(dǎo)它們分別向兩極運(yùn)動,從而產(chǎn)生光電流。

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表征光電二極管時,我們會用到量子效率,這里其實(shí)是指內(nèi)部量子效率,即產(chǎn)生的電子數(shù)與進(jìn)入載荷子區(qū)的光子數(shù)之比,用于確定光電二極管的性能。光電二極管的響應(yīng)度,對應(yīng)外部量子效率,即產(chǎn)生的電子數(shù)與所有到達(dá)二極管表面的光子數(shù)之比,包括因表面反射或吸收而沒有進(jìn)入載荷子區(qū)的光子,所以一般內(nèi)部量子效率高于外部量子效率。這種探頭的優(yōu)勢和不足分別是:

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由于探頭包含與波長相關(guān)的組件,所以必須在其整個工作波長范圍內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)設(shè)備包括白光光源、單色儀、斬波器和鎖定放大器。首先,使用經(jīng)過外部校準(zhǔn)的參考探頭記錄每個波長值下的功率;然后,將同樣功率水平的光打在待校準(zhǔn)探頭上,得出的結(jié)果可以用來計(jì)算光譜響應(yīng)度。

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b. 熱敏探頭

熱敏探頭先將光子能量轉(zhuǎn)化成熱量,再轉(zhuǎn)化成電流。熱敏功率探頭基于熱電效應(yīng)(亦稱為塞貝克效應(yīng)):金屬或合金的一端受熱時會釋放電子,電子會朝著較冷的一端移動,這是一種只要存在溫度差就會產(chǎn)生的現(xiàn)象,產(chǎn)生于金屬之間。

左圖中使用了產(chǎn)生電子較少/較多的鐵/鎳,加熱鐵和鎳的連接點(diǎn),并假設(shè)兩個冷接點(diǎn)都是同樣的溫度,則每開爾文產(chǎn)生1個電壓。此外,熱敏功率探頭的響應(yīng)呈指數(shù)函數(shù)變化。這里的關(guān)鍵參數(shù)是時間常數(shù),即達(dá)到最終值的63%所需的時間,常用來表征響應(yīng)速度或預(yù)測測量結(jié)果。比如看到右圖紅色曲線,就大概知道功率水平了,即在5倍時間常數(shù)之后達(dá)到99%的功率水平。

對于徑向配置的熱敏功率探頭,熱電偶圍繞入射光區(qū)域呈環(huán)形排列,熱量從中心位置水平流向邊緣;而矩陣配置的探頭,光入射在上層,熱量垂直流向散熱器。

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熱釋電能量探頭也是基于光子能量轉(zhuǎn)化成熱量的原理。它的兩個電極之間嵌有熱釋電晶體,晶體中包含隨機(jī)取向的偶極子,在恒溫下表現(xiàn)出某種自發(fā)式極化。脈沖光打在有效區(qū)域時,隨著熱量擴(kuò)散,偶極子會改變極化方向,并且吸收或釋放電子,就有了充電和放電過程。注意,熱釋電探頭只能用于脈沖光。能夠探測的最高脈沖重復(fù)頻率,大概在萬赫茲級別,這與探頭尺寸、探頭鍍膜以及負(fù)載阻抗相關(guān)。

將熱敏探頭用作測量頭時,需要鍍吸光膜。黑色膜在紫外到太赫茲具有最平坦的吸收度;當(dāng)需要更高耐用性時,陶瓷膜是最好的選擇;如需更快的速度,可以使用金屬膜。尤其是對于熱敏功率探頭,良好的熱管理必不可少,有效區(qū)域與散熱器之間必須保持某種溫度差。使用熱敏功率探頭測量較低的功率水平時,需要防止敏感區(qū)域受到黑體輻射。此外,也不要有任何通風(fēng)或環(huán)境溫度變化。所以熱敏探頭的優(yōu)勢和不足在于:

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校準(zhǔn)熱敏探頭通常需要2步。對于光譜校準(zhǔn),膜層的吸收率通過光譜儀表征,然后對比實(shí)際校準(zhǔn)結(jié)果與外部校準(zhǔn)參考。對于功率探頭,參考標(biāo)準(zhǔn)通常使用的是1064nm的連續(xù)光;對于能量探頭,參考標(biāo)準(zhǔn)通常也是1064 nm的脈沖光。

簡要總結(jié)一下選購標(biāo)準(zhǔn)。對于連續(xù)光,只有光電二極管和熱敏功率探頭才適用。對于較高峰值功率的脈沖光,適用的是熱敏功率或熱釋電探頭。

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2. 表頭

納安級的小電流或微伏級的小電壓進(jìn)入表頭后先被放大到合理的電壓水平,這個過程可能涉及到多級放大,放大倍數(shù)可能達(dá)到幾十倍;然后通過信號濾波,過濾掉不必要的噪聲或波動;再經(jīng)過數(shù)字化處理,到達(dá)微控制器,并基于探頭校準(zhǔn)值計(jì)算功率水平;最后在顯示屏上顯示出測量值。針對每個測量范圍,施加已知的電流和電壓來校準(zhǔn)表頭。由于表頭的準(zhǔn)確度遠(yuǎn)高于系統(tǒng)的準(zhǔn)確度,所以查看功率計(jì)測量準(zhǔn)確度時,關(guān)注探頭準(zhǔn)確度就可以了。

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3. 應(yīng)用實(shí)例

視頻中還用多個實(shí)例闡述各類應(yīng)用中可能遇到的一些問題,并提出了解決方案。下面僅是小部分實(shí)例內(nèi)容以作參考,下方還列出了其他應(yīng)用及對應(yīng)時間點(diǎn),以便您按需觀看視頻。

如測量更高功率,可使用ND濾光片或積分球衰減入射光。對于反射型濾光片,光束先經(jīng)過入射面被散射以擴(kuò)束,然后在背面濾光。這種濾光片在工作波長范圍內(nèi)透過率的線性度很好;吸收型濾光片由濾光玻璃制成,玻璃內(nèi)部發(fā)生衰減,不會產(chǎn)生干涉和偏振效應(yīng),非常適合紅外波段,但它的光譜線性度差,表面有菲涅爾反射,并且容易受溫度影響;積分球的表面由漫反射材料制成,入射光在表面經(jīng)過多次反射后分布均勻,然后少量的光在從探測器端口出射用來測量。

示例1是用準(zhǔn)直光正入射,3個的測量值都是正確的,因?yàn)樘筋^已經(jīng)在基本相同的條件下經(jīng)過校準(zhǔn)。為了防止背向反射進(jìn)入激光器,探頭可以稍微偏離1到2度角。

如果入射角較大,2個帶濾光片的裝置測得的功率偏低。因?yàn)榉瓷湫蜑V光片擴(kuò)大了光束,導(dǎo)致部分光不在有效區(qū)域上,而吸收型濾光片因?yàn)榻嵌汝P(guān)系,菲涅爾反射變強(qiáng),積分球則基本不受入射角影響,如示例2所示。

使用光電二極管探頭時要注意,其有效區(qū)域在濾光片后面略凹陷的位置,所以如果光束剛好填滿通光孔徑或?yàn)V光片,由于光束繼續(xù)發(fā)散,到達(dá)二極管時可能會過度填滿有效區(qū)域。從示例3可看出,在發(fā)散光束下,前2種裝置又會產(chǎn)生類似示例2的問題,測量值還是偏低,因此當(dāng)入射角較大或發(fā)散角較大時,積分球是較好的選擇。

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示例1

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示例2

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示例3

一、通用型激光能量探頭:(uJ~2J)

1、特點(diǎn):

> MaxBlack寬光譜涂層覆蓋0.19-20um

> 能量范圍可覆蓋300nJ~2J

> 較高重復(fù)頻率可達(dá)1kHz

>DB25接口,需要能量計(jì)表頭

審核編輯黃宇

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