光功率計和能量計技術原理與選擇

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，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，即沒有質量和電荷、但有一定能量的光子。

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；對于量子物理實驗，大多數(shù)情況下，以eV為單位的光子能量是關鍵的表征參數(shù)，也是測量光的關鍵物理量?？偠灾?，光子都有一定的能量，能量越大，波長越短。

可以從2個角度來測量光。首先從輻射度量學角度，需要考慮整個光譜范圍，且不引入權重。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角度的。

功率或能量測量配置

光功率計或能量計由三部分組成。首先是探頭，負責將光子能量轉化為電流。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算機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

光電二極管的結構通常是1個PN結，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，并引導它們分別向兩極運動，從而產(chǎn)生光電流。

表征光電二極管時，我們會用到量子效率，這里其實是指內部量子效率，即產(chǎn)生的電子數(shù)與進入載荷子區(qū)的光子數(shù)之比，用于確定光電二極管的性能。光電二極管的響應度，對應外部量子效率，即產(chǎn)生的電子數(shù)與所有到達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入載荷子區(qū)的光子，所以一般內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：

由于探頭包含與波長相關的組件，所以必須在其整個工作波長范圍內進行校準。校準設備包括白光光源、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探頭上，得出的結果可以用來計算光譜響應度。

b. 熱敏探頭

熱敏探頭先將光子能量轉化成熱量，再轉化成電流。熱敏功率探頭基于熱電效應(亦稱為塞貝克效應)：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，并假設兩個冷接點都是同樣的溫度，則每開爾文產(chǎn)生1個電壓。此外，熱敏功率探頭的響應呈指數(shù)函數(shù)變化。這里的關鍵參數(shù)是時間常數(shù)，即達到最終值的63%所需的時間，常用來表征響應速度或預測測量結果。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。

熱釋電能量探頭也是基于光子能量轉化成熱量的原理。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頻率，大概在萬赫茲級別，這與探頭尺寸、探頭鍍膜以及負載阻抗相關。

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，也不要有任何通風或環(huán)境溫度變化。所以熱敏探頭的優(yōu)勢和不足在于：

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

簡要總結一下選購標準。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。

2. 表頭

納安級的小電流或微伏級的小電壓進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，到達微控制器，并基于探頭校準值計算功率水平；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表頭。由于表頭的準確度遠高于系統(tǒng)的準確度，所以查看功率計測量準確度時，關注探頭準確度就可以了。

3. 應用實例

此視頻中還用多個實例闡述各類應用中可能遇到的一些問題，并提出了解決方案。下面僅是小部分實例內容以作參考，下方還列出了其他應用及對應時間點，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束，然后在背面濾光。這種濾光片在工作波長范圍內透過率的線性度很好；吸收型濾光片由濾光玻璃制成，玻璃內部發(fā)生衰減，不會產(chǎn)生干涉和偏振效應，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是用準直光正入射，3個的測量值都是正確的，因為探頭已經(jīng)在基本相同的條件下經(jīng)過校準。為了防止背向反射進入激光器，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。因為反射型濾光片擴大了光束，導致部分光不在有效區(qū)域上，而吸收型濾光片因為角度關系，菲涅爾反射變強，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濾光片，由于光束繼續(xù)發(fā)散，到達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，因此當入射角較大或發(fā)散角較大時，積分球是較好的選擇。

示例1

示例2

示例3

一、通用型激光能量探頭：（uJ~2J）

1、特點：

> MaxBlack寬光譜涂層覆蓋0.19-20um

> 能量范圍可覆蓋300nJ~2J

> 較高重復頻率可達1kHz

>DB25接口，需要能量計表頭

審核編輯黃宇