光功率测量基础知识(Optical Power Measurement)

发布时间:2023-07-13 08:00:00

光电二极管光学传感器基础知识

当光子击中光电二极管材料时,可能会产生电子-空穴对,这取决于器件的量子效率。量子效率取决于许多因素,但一般来说,如果光子的能量(E = hv)大于器件的能隙,这些光子将在表面附近被吸收,在那里重组率很高,并将产生光电流。正是量子效率导致了光电二极管光谱响应的波长依赖性。硅和InGaAs等半导体材料具有不同的能隙;因此,它们在不同波长表现出不同的量子效率,从而形成特定材料类型特有的光谱响应曲线。


图1. 典型的硅光电二极管器件结构。
 

吸收器

半导体光电二极管具有高灵敏度和低噪声特性,是测量低强度光的理想选择。大多数光电二极管制造商专门将其二极管设计为光电导(反向偏置)或光电伏(无偏置)模式,这两种模式各有利弊。Newport的低功耗818低功耗校准光电二极管传感器和918D系列低功耗校准光电二极管传感器用于光电模式,以利用降低的噪声性能。

仅来自二极管的两个主要噪声源是约翰逊噪声和射频噪声。在光电模式下,没有光照射到光电二极管表面,光电二极管处于热平衡状态,产生随机热噪声,称为约翰逊电流噪声,其值为


其中,k 为波尔兹曼常数,T 为开尔文温度,B 为探测器/放大器的带宽,Rsh 为光电二极管的分流电阻。从该公式中还可以看出,光电二极管需要具有较高的分流电阻,以降低约翰逊噪声。

射频噪声是二极管中电流流动产生的噪声,由以下公式得出、


其中 q 为电子电荷,Idark 为暗电流,Iphoto 为光电流。当光电二极管用于光伏模式时,二极管两端的电压保持为零伏。因此,这几乎完全消除了暗电流。因此,暗电流产生的射频噪声也被消除。从这些效果的角度来看,如果检测器像光电导模式那样偏置,暗电流将比无偏置检测器的噪声等效电流大30倍。

光电二极管产生的光电流由功率计使用运算放大器电路(称为跨阻放大器)直接测量。通常情况下,即使在室温下,也可以进行亚皮安培级的测量,并具有良好的再现性。当光电二极管的分流电阻较小时,如锗光电二极管(818-IR和918D-IR),则属于例外情况。由于其并联电阻较低(典型值为50 kΩ),最多可分辨出几十皮安的电流。 更多信息,请参阅光电二极管传感器物理学。

热电堆光学传感器基础知识

基本的激光高功率(大于1瓦)探测器本质上是一个热电堆。热电堆更为人所熟知的应用是通过施加电压来冷却热电堆的一侧及其所粘接的任何物体,这也是热电冷却器俗名的由来。然而,用于激光功率测量的热电堆却以相反的方式使用。也就是说,利用温差产生电压。材料的一面被激光加热,另一面是散热器。材料吸收的激光能量转化为热量。当热量流过热电设备时,热电设备上会产生温差。该温差导致热电堆产生电压。该电压与温差成正比,而温差与激光功率成正比。监测器测量该电压,以瓦特为单位提供激光功率读数。 更多信息,请参阅热电堆传感器物理学、


图2. 热电堆传感器的典型操作。
 

吸收器

光学吸收材料是探测器最重要的部件之一。这是因为其特性决定了探测器的大部分性能,尤其是其抗脉冲破坏的能力。这种材料吸收激光的大部分光能并将其转化为热能。根据材料和预期应用的不同,反射的部分可能占总光功率的百分之几到百分之五十不等。材料的光谱吸收率响应曲线显示了吸收率的大小。

体积吸收器

对于需要在较小区域和较短时间内对单一波长的功率和能量进行极高浓度集中的应用,需要使用体积吸收器。与直接在表面上吸收能量的宽带材料不同,能量在材料的整个厚度上被吸收。能量密度大于3 J/cm2,峰值功率密度超过100,000 MW/cm2时,可根据波长以这种方式处理。

盘形热电堆

用于激光功率测量的热电堆有两种。一种是晶片式热电堆,另一种是圆盘式热电堆。当吸收大量平均功率并流过包含热电偶的小间隙时,温度会变得很高,足以损坏热电偶结。这时,圆盘热电堆就会显示其值。盘式热电堆由两组径向排列的结组成。其中一组结点排列在光圈下方,另一组结点则靠近圆盘边缘,圆盘连接到一个巨大的散热器上。激光功率加热中心的吸收器,并在中心和边缘之间产生温差。热电偶产生与该温差相对应的电压,就像晶片热电堆一样。主要区别在于热量径向流经圆盘,可承受更大的平均功率,特别是在吹风或水冷的情况下。盘式热电堆还具有更快的自然响应时间。

热释电探测器基础知识

热释电探测器设计用于测量最大宽度为5至400 µs的短光脉冲能量,具体取决于探测器的设计。这些探测器由具有永久偶极矩的铁电晶体制成。当受到光脉冲时,晶体被加热并导致偶极矩发生变化。偶极矩的变化会产生电流,电流在探测器头中转换成电压,可通过光功率计或示波器进行测量。


图3 热释电光学传感器的典型信号行为 热释电光学传感器的典型信号行为。

如图 3 所示,由此产生的热脉冲相对于短光脉冲会变宽。在该热脉冲期间,电流流过铁电晶体,产生一个幅值增大的电压。光功率计的电路可测量输出电压刚开始增加时与输出电压达到峰值振幅时之间的电压差。然后将该电压差乘以探测器的响应度(单位为焦耳/伏特),得出脉冲能量(单位为焦耳)。更多信息,请参阅热释电传感器物理学。


图 4. 热释电能量传感器的典型操作。
使用热释电时,必须注意不要超过最大脉冲宽度或最大重复率。如果超过这两种规格中的任何一种,由于探测器的电带宽限制,您的测量精度将下降。

光电二极管光谱校准

探测器校准使用双单色器,以最大限度地减少杂散光噪声,尤其是紫外噪声。单色仪使用三个光栅和两个光源,以最大限度地提高200至1800 nm波长范围内的信噪比。在310 nm以下的紫外波段使用氘灯,此后在可见光和近红外波段使用钨灯。

纽波特公司使用两个标准探测器,除818-IS和918D-IS系列探测器外,其他探测器都送往NIST,每年送往NRC(加拿大国家研究理事会)进行校准。其中一个标准探测器用于200-1100 nm波长,另一个用于780-1800 nm波长。NIST标准探测器的绝对响应精度基于低温辐射计,其相对扩展不确定度(k=2)绝对SI单位为0.2%。

在校准批量生产的探测器之前,使用NIST可追溯标准探测器,在被测探测器(DUT)需要校准的整个波长范围内,以10 nm为单位测量单色仪的光通量。由于我们从NIST知道标准探测器的响应率,因此我们使用以下关系计算单色器的光通量:

Fluxmono ([W] = imeasured [A] / ResponsivityStd Det ([A/W])、

其中,imeasured是标准探测器的测量电流。

知道了来自单色器的通量后,我们以10 nm为单位测量DUT的光电流,然后用这个电流除以单色器的通量,得到探测器的光谱响应度,单位为A/W。

由于光电二极管的响应率对温度敏感,特别是在其可用波长范围的两端,我们将标准探测器和DUT的温度保持在NIST校准标准探测器的温度。这种温度控制对准确校准至关重要。例如,硅的温度依赖性导致在室温附近5°C变化时,1100 nm波长处的响应率变化约为10%。

光功率计基础知识

尽管大多数人都希望以dBm或瓦特为单位进行测量,但光功率计只能测量光电探测器产生的电流或电压。

与光电二极管连接时,必须测量的量是电流。测量电流的技术有很多,但只有一种技术能够达到半导体光电二极管的检测率、信噪比和精度要求。在使用光电二极管时,一种称为跨阻放大器的电路是首选电路(图5)。


图 5. 跨阻放大器原理图。
与几乎所有其他放大器配置相比,跨阻放大器的优势在于,当电流从光电二极管开始流动时,它不会用电压对光电二极管进行偏置。通常情况下,光电二极管的一个引线与地相连,另一个引线通过跨阻放大器的负输入保持在虚拟地。这样,光电二极管上的偏置几乎保持为零伏,有助于最大限度地降低暗电流和噪声,并有助于提高线性度和检测率。

实际上,跨阻放大器使光电流流经反馈电阻,在放大器输出端产生电压 V = iR。由于仪表知道精密反馈电阻的值,因此可以非常精确地计算电流。

当与热电堆或热释电探测器连接时,电压是光电表必须测量的量。但是,这两种探测器的测量方式有很大不同。光学仪表的电路设计和配置必须适应两种不同类型的电压源。

热电堆探测器产生的电压带宽非常慢(≈1 Hz),可以测量到亚毫伏级。在试图解决这种低电压问题时,主要关注点之一是补偿或消除由异种金属引起的热电电压,这种电压在连接和印刷电路板中产生。具有讽刺意味的是,热电堆探测器中产生电压的理想物理效应与连接和印刷电路板中存在的不良效应相似。在选择电气元件时必须采取预防措施,以帮助将不必要的热电电压降至最低。此外,为了准确分辨小电压,光学仪表必须能够将因元件和热电堆温度漂移而产生的偏移电压归零。

相比之下,热释电探测器可产生相对较快的微秒级上升时间信号(参见热释电基础知识部分的图)。光学仪表中的电路必须对基线电压和脉冲峰值振幅进行采样和保持。然后将这两个电压送入差分放大器;正是这个电压差通过探测器的响应度决定了光脉冲的能量大小。由于采样和保持电路对噪声非常敏感,因此必须采取预防措施,避免意外触发采样和保持电路。由于较快的热释电探测器具有较窄的上峰,因此电路的带宽必须足够快,以便在不降低振幅精度的情况下捕捉到上峰的电平。

积分球

Newport的通用积分球可用于进行各种测量。还提供可选的积分球附件,以提高其实用性。

测量光束功率

测量准直或非准直光束总功率(图6)与偏振或光束对准无关,非常简单。光束进入积分球,探测器挡住直接反射辐射,测量空间积分光束功率。积分球非常适合测量激光二极管透镜LED和透镜灯的发散光束的输出功率。


图6. 使用积分球测量光束功率。
 

测量透射率

透射率(图7)可以通过使用积分球从一个端口收集样品的透射辐射来测量。对样品进行照射,然后与在积分球外进行的直接源测量进行比较。挡板用于遮挡非积分透射探测器,光阱可用于去除非散射成分。还可以测量总集成散射、荧光、体散射和前后散射。


图 7. 使用积分球测量漫透射率。

测量反射率

测量反射率时,在其中一个端口放置一个样品并用入射光束照射。总反射辐射由球面进行空间积分,并由障板探测器进行测量。使用正常入射样品支架,可将镜面反射光束反射回输入端口,从而消除反射辐射的镜面反射成分。8°入射样品架可以测量 "镜面加漫反射 "反射率(图8)。样品相对于已知标准的反射率可通过测量两者并计算其比率来计算。样品和标准样品应具有相似的反射率,以避免样品反射率造成的误差。双光束系统可用于消除这一潜在的测量误差来源。


图 8. 使用积分球测量镜面反射率和漫反射率。

测量光纤功率输出

积分球也是测量光纤输出的理想工具。特别是,这种方法避免了热电堆对气流的敏感性,为外科或眼科应用中的高功率风冷光纤手术刀提供可靠的NIST可追溯校准(图9)。


图9. 使用积分球测量光纤手术刀功率。

测量激光二极管功率

积分球和校准探测器装置适用于精确、绝对值光功率的激光二极管测量。您的测量对与探测器有效区域过满或饱和相关的问题不敏感。位于输入端口和探测器端口之间的挡板可防止探测器直接观察激光器的发射孔或直接照射区域。在积分球中,检测到的光通量总是入射光通量的一小部分。这种衰减是由于光在到达探测器之前多次反射造成的,因此积分球是测量高功率激光器输出光功率的理想工具(图10)。


图10. 使用积分球测量激光二极管功率。

 

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