光功率計(jì)和能量計(jì)技術(shù)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(gè)范圍內(nèi)，我們最感興趣的波段是激光探測(cè)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。

對(duì)于激光測(cè)量中的光傳播，常用的物理量是以nm或μm為單位的波長(zhǎng)；對(duì)于光譜應(yīng)用，常用波長(zhǎng)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(jiǎn)潔的數(shù)字表示；對(duì)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(cè)量光的關(guān)鍵物理量。總而言之，光子都有一定的能量，能量越大，波長(zhǎng)越短。

可以從2個(gè)角度來測(cè)量光。首先從輻射度量學(xué)角度，需要考慮整個(gè)光譜范圍，且不引入權(quán)重。測(cè)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(cè)量電磁輻射時(shí)一般會(huì)用到輻射度單位。而光度測(cè)量對(duì)應(yīng)人眼可見的光譜波段，測(cè)量包括以lm為單位的光通量和以lx為單位的光照度。測(cè)量光功率和能量就是基于輻射度學(xué)角度的。

功率或能量測(cè)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(hào)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(cè)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(gè)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(dòng)，從而產(chǎn)生光電流。

表征光電二極管時(shí)，我們會(huì)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(duì)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(shì)和不足分別是：

由于探頭包含與波長(zhǎng)相關(guān)的組件，所以必須在其整個(gè)工作波長(zhǎng)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(gè)波長(zhǎng)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。

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(shí)會(huì)釋放電子，電子會(huì)朝著較冷的一端移動(dòng)，這是一種只要存在溫度差就會(huì)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(gè)冷接點(diǎn)都是同樣的溫度，則每開爾文產(chǎn)生1個(gè)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(shí)間常數(shù)，即達(dá)到最終值的63%所需的時(shí)間，常用來表征響應(yīng)速度或預(yù)測(cè)測(cè)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(shí)間常數(shù)之后達(dá)到99%的功率水平。

對(duì)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(zhuǎn)化成熱量的原理。它的兩個(gè)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(shí)，隨著熱量擴(kuò)散，偶極子會(huì)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(cè)的最高脈沖重復(fù)頻率，大概在萬赫茲級(jí)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(cè)量頭時(shí)，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(shí)，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(duì)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(cè)量較低的功率水平時(shí)，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(shì)和不足在于：

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

簡(jiǎn)要總結(jié)一下選購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于連續(xù)光，只有光電二極管和熱敏功率探頭才適用。對(duì)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(jí)的小電流或微伏級(jí)的小電壓進(jìn)入表頭后先被放大到合理的電壓水平，這個(gè)過程可能涉及到多級(jí)放大，放大倍數(shù)可能達(dá)到幾十倍；然后通過信號(hào)濾波，過濾掉不必要的噪聲或波動(dòng)；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(cè)量值。針對(duì)每個(gè)測(cè)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(cè)量準(zhǔn)確度時(shí)，關(guān)注探頭準(zhǔn)確度就可以了。

3. 應(yīng)用實(shí)例

此視頻中還用多個(gè)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(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)，以便您按需觀看視頻。

如測(cè)量更高功率，可使用ND濾光片或積分球衰減入射光。對(duì)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(zhǎng)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(huì)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(cè)器端口出射用來測(cè)量。

示例1是用準(zhǔn)直光正入射，3個(gè)的測(cè)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(gè)帶濾光片的裝置測(cè)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(shí)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(shí)可能會(huì)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(huì)產(chǎn)生類似示例2的問題，測(cè)量值還是偏低，因此當(dāng)入射角較大或發(fā)散角較大時(shí)，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(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