[激光原理与应用-90]：光功率计基本原理

一、光功率计原理

二、光功率计硬件电路

三、光功率计探头

四、接口信号

一、光功率计原理

光功率计是用来测量光功率的仪器，其原理基于光电效应和电信号的检测与处理。

下面是光功率计的基本原理：

光电效应： 光功率计使用光敏元件（例如光电二极管或光电探测器），这些元件能够将接收到的光信号转换为电信号。当光线照射到光敏元件上时，光子的能量被转换成电子的动能，从而在光敏元件中产生电流或电压。
电信号检测与放大： 光敏元件接收到光信号后，产生微弱的电流或电压信号。这些信号需要经过放大和处理，以便能够被检测和测量。通常在光功率计中会使用放大器和滤波器来放大和过滤光敏元件输出的信号，以提高信号的稳定性和精度。
模数转换： 放大后的电信号是模拟信号，需要将其转换为数字信号以便于数字化处理和显示。这一步通常通过模数转换器（ADC）来完成，将模拟信号转换为数字信号。
数字处理与显示： 转换为数字信号后，光功率计会使用数字处理单元对信号进行进一步处理和分析，包括单位换算、数据存储、显示控制等功能。最终，测量结果会以数字形式显示在仪器的显示屏上或通过计算机界面呈现给用户。
校准与修正： 光功率计在使用前需要进行校准，以确保测量结果的准确性和可靠性。校准过程通常涉及标准光源和标准参考值，以及对仪器的各个部分进行校准和修正，以消除误差和偏差。

综上所述，光功率计的原理是通过光电效应将光能转换为电信号，然后经过放大、模数转换和数字处理，最终得到光功率的数字化测量结果。

二、光功率计硬件电路

光功率计的硬件电路通常包括以下几个主要部分：

光敏元件接收电路： 光功率计的核心是光敏元件，如光电二极管（Photodiode）或光电探测器（Photodetector）。这些元件负责将光信号转换为电信号。光敏元件接收电路包括放大器和滤波器，用于放大和过滤从光敏元件接收到的微弱电信号，以提高测量的精度和稳定性。
模数转换器（ADC）： 光功率计的电路中通常包含模数转换器，用于将光功率转换的模拟信号转换为数字信号，以便于数字处理和显示。ADC的分辨率和采样速率会直接影响测量的精度和响应速度。
数字处理单元： 数字处理单元负责对ADC转换得到的数字信号进行处理和分析，包括单位换算、数据存储、显示控制等功能。这部分电路通常包括微处理器或数字信号处理器（DSP）等芯片。
显示和用户界面： 光功率计通常配备有显示屏和用户界面，用于直观地显示测量结果和操作控制。显示电路通常包括液晶显示器（LCD）、数码管等，并带有按键或触摸屏等操作控制装置。
电源管理电路： 为了确保光功率计的正常工作，需要稳定可靠的电源供应。电源管理电路负责对外部电源进行稳压、过滤等处理，以提供给各个电路模块所需的电源电压和电流。
辅助电路和保护电路： 光功率计的电路中可能还包括一些辅助功能的电路，如温度补偿电路、校准电路等，以及保护电路，用于防止过载、过压等异常情况对设备造成损坏。

这些部分组合在一起构成了光功率计的硬件电路，通过合理设计和优化，可以实现准确、稳定地测量光功率的功能。、

三、光功率计探头

光功率计的探头是连接到光功率计上用于接收光信号并转换为电信号的部件。

探头的设计和性能直接影响着光功率计的测量精度、灵敏度和适用范围。

常见的光功率计探头包括以下几种：

光纤探头： 光纤探头通过光纤将光信号传输到光敏元件（如光电二极管）上进行检测。这种探头适用于需要远距离传输和小尺寸探头的应用，可以实现灵活的测量布局和高灵敏度的测量。
直接接触探头： 直接接触探头直接将光信号接收到光敏元件上进行检测，通常用于需要高精度和高灵敏度的测量，如光通信系统中的光功率监测。
反射式探头： 反射式探头通过反射光或散射光信号进行检测，常用于特殊环境或特定波长范围的测量，如在高温、高压或强辐射环境下的光功率测量。
分束器探头： 分束器探头利用光学分束器将光信号分成两个或多个通道，分别进行测量或比较，常用于比较测量或双波长测量等应用。
功率分布探头： 功率分布探头用于测量光束的功率分布情况，通常采用阵列式光敏元件进行多点测量，用于分析光束的均匀性和稳定性。
特殊用途探头： 根据具体应用需求，还可以设计特殊用途的探头，如大功率光功率计探头、特定波长范围的探头等。

在选择光功率计探头时，需要考虑测量范围、波长范围、灵敏度、响应时间、耐久性等因素，以确保探头能够满足实际应用的要求。

四、接口信号

功率计的接口信号通常是经过处理后的数字信号，可以通过不同类型的接口进行传输和处理。

常见的接口信号包括：

模拟输出信号： 光功率计可能提供模拟输出信号，通常是经过放大和滤波处理后的模拟电压或电流信号。这种信号可以通过模拟接口（如BNC接口）传输给外部设备，如示波器或数据采集卡，用于进一步的分析和处理。
数字输出信号： 光功率计通常也提供数字输出信号，这些信号经过模数转换后以数字形式输出。常见的数字接口包括USB、RS-232、GPIB等，用户可以通过这些接口将测量数据传输给计算机或其他数字设备进行处理和记录。
触发信号： 在某些应用中，光功率计可能还会提供触发信号，用于触发外部设备的动作或进行同步测量。触发信号可以是数字信号或模拟信号，通常包括触发输入和触发输出。
控制信号： 光功率计的控制功能通常也可以通过接口信号进行实现，用户可以通过控制信号设置测量参数、启动测量、选择测量范围等。这些控制信号通常是数字信号，通过数字接口与外部控制设备连接。
数据传输协议： 对于数字接口，光功率计通常会遵循特定的数据传输协议，如SCPI（Standard Commands for Programmable Instruments）协议。这些协议规定了通信格式、命令结构等，以确保不同设备之间的兼容性和通信稳定性。

通过以上接口信号，光功率计可以与其他设备或计算机进行数据交换和控制，实现更广泛的应用和功能。

五、设计指南

5.0 基础概念回顾

光是一种电磁波，频谱范围从γ射线到无线电波。在这个范围内，我们最感兴趣的波段是激光探测波段，即从深紫外150nm到100 μm。

光也可以被看成是粒子，即没有质量和电荷、但有一定能量的光子。

对于激光测量中的光传播，常用的物理量是以nm或μm为单位的波长；

对于光谱应用，常用波长的倒数，即波数，单位为cm-1；以THz为单位的频率常用于通信领域，这样载波频率和频道间隔就能以更简洁的数字表示；对于量子物理实验，大多数情况下，以eV为单位的光子能量是关键的表征参数，也是测量光的关键物理量。总而言之，光子都有一定的能量，能量越大，波长越短。

可以从2个角度来测量光：

首先从辐射度量学角度，需要考虑整个光谱范围，且不引入权重。测量的量是以W为单位的辐射通量和以每平方米瓦特为单位的辐照度。测量电磁辐射时一般会用到辐射度单位。

而光度测量对应人眼可见的光谱波段，测量包括以lm为单位的光通量和以lx为单位的光照度。

测量光功率和能量就是基于辐射度学角度的。

功率或能量测量配置光功率计或能量计由三部分组成。首先是探头，负责将光子能量转化为电流。然后探头中的信号通过表头完成数字化处理和加工，最终在表头显示屏或计算机的图形用户界面上显示出测量值。

5.1 探头类型

a. 光电二极管探头

光电二极管的结构通常是1个PN结，中间是本征层，也称之为耗尽层或耗尽区，入射的光子在耗尽区激发自由电子和空穴，并引导它们分别向两极运动，从而产生光电流。

动图封面

表征光电二极管时，我们会用到量子效率，这里其实是指内部量子效率，即产生的电子数与进入载荷子区的光子数之比，用于确定光电二极管的性能。光电二极管的响应度，对应外部量子效率，即产生的电子数与所有到达二极管表面的光子数之比，包括因表面反射或吸收而没有进入载荷子区的光子，所以一般内部量子效率高于外部量子效率。这种探头的优势和不足分别是：

由于探头包含与波长相关的组件，所以必须在其整个工作波长范围内进行校准。校准设备包括白光光源、单色仪、斩波器和锁定放大器。首先，使用经过外部校准的参考探头记录每个波长值下的功率；然后，将同样功率水平的光打在待校准探头上，得出的结果可以用来计算光谱响应度。

动图封面

b. 热敏探头

热敏探头先将光子能量转化成热量，再转化成电流。热敏功率探头基于热电效应(亦称为塞贝克效应)：金属或合金的一端受热时会释放电子，电子会朝着较冷的一端移动，这是一种只要存在温度差就会产生的现象，产生于金属之间。

左图中使用了产生电子较少/较多的铁/镍，加热铁和镍的连接点，并假设两个冷接点都是同样的温度，则每开尔文产生1个电压。此外，热敏功率探头的响应呈指数函数变化。这里的关键参数是时间常数，即达到最终值的63%所需的时间，常用来表征响应速度或预测测量结果。比如看到右图红色曲线，就大概知道功率水平了，即在5倍时间常数之后达到99%的功率水平。

动图封面

对于径向配置的热敏功率探头，热电偶围绕入射光区域呈环形排列，热量从中心位置水平流向边缘；而矩阵配置的探头，光入射在上层，热量垂直流向散热器。

热释电能量探头也是基于光子能量转化成热量的原理。它的两个电极之间嵌有热释电晶体，晶体中包含随机取向的偶极子，在恒温下表现出某种自发式极化。脉冲光打在有效区域时，随着热量扩散，偶极子会改变极化方向，并且吸收或释放电子，就有了充电和放电过程。注意，热释电探头只能用于脉冲光。能够探测的最高脉冲重复频率，大概在万赫兹级别，这与探头尺寸、探头镀膜以及负载阻抗相关。

动图封面

将热敏探头用作测量头时，需要镀吸光膜。黑色膜在紫外到太赫兹具有最平坦的吸收度；当需要更高耐用性时，陶瓷膜是最好的选择；如需更快的速度，可以使用金属膜。尤其是对于热敏功率探头，良好的热管理必不可少，有效区域与散热器之间必须保持某种温度差。使用热敏功率探头测量较低的功率水平时，需要防止敏感区域受到黑体辐射。此外，也不要有任何通风或环境温度变化。所以热敏探头的优势和不足在于：

校准热敏探头通常需要2步。对于光谱校准，膜层的吸收率通过光谱仪表征，然后对比实际校准结果与外部校准参考。对于功率探头，参考标准通常使用的是1064nm的连续光；对于能量探头，参考标准通常也是1064 nm的脉冲光。

简要总结一下选购标准。对于连续光，只有光电二极管和热敏功率探头才适用。对于较高峰值功率的脉冲光，适用的是热敏功率或热释电探头。

5.2 表头

纳安级的小电流或微伏级的小电压进入表头后先被放大到合理的电压水平，这个过程可能涉及到多级放大，放大倍数可能达到几十倍；然后通过信号滤波，过滤掉不必要的噪声或波动；再经过数字化处理，到达微控制器，并基于探头校准值计算功率水平；最后在显示屏上显示出测量值。针对每个测量范围，施加已知的电流和电压来校准表头。由于表头的准确度远高于系统的准确度，所以查看功率计测量准确度时，关注探头准确度就可以了。

5.3 应用实例

此视频中还用多个实例阐述各类应用中可能遇到的一些问题，并提出了解决方案。

下面仅是小部分实例内容以作参考，下方还列出了其他应用及对应时间点，以便您按需观看视频。

如测量更高功率，可使用ND滤光片或积分球衰减入射光。对于反射型滤光片，光束先经过入射面被散射以扩束，然后在背面滤光。这种滤光片在工作波长范围内透过率的线性度很好；吸收型滤光片由滤光玻璃制成，玻璃内部发生衰减，不会产生干涉和偏振效应，非常适合红外波段，但它的光谱线性度差，表面有菲涅尔反射，并且容易受温度影响；积分球的表面由漫反射材料制成，入射光在表面经过多次反射后分布均匀，然后少量的光在从探测器端口出射用来测量。

示例1是用准直光正入射，3个的测量值都是正确的，因为探头已经在基本相同的条件下经过校准。为了防止背向反射进入激光器，探头可以稍微偏离1到2度角。

如果入射角较大，2个带滤光片的装置测得的功率偏低。因为反射型滤光片扩大了光束，导致部分光不在有效区域上，而吸收型滤光片因为角度关系，菲涅尔反射变强，积分球则基本不受入射角影响，如示例2所示。

使用光电二极管探头时要注意，其有效区域在滤光片后面略凹陷的位置，所以如果光束刚好填满通光孔径或滤光片，由于光束继续发散，到达二极管时可能会过度填满有效区域。从示例3可看出，在发散光束下，前2种装置又会产生类似示例2的问题，测量值还是偏低，因此当入射角较大或发散角较大时，积分球是较好的选择。