光功率计 Optical power meters

2022-11-11 09:36:27 浏览:733

定义

用于光功率测量的仪器,例如基于吸收器结构或光电二极管的加热。

光功率计(或激光功率计)是一种用于测量光束(例如激光束)中的光功率(每单位时间传递的能量)的仪器。 通常,它只允许以相对较低的带宽进行功率测量,并且例如,在接收具有高脉冲重复率的脉冲序列时仅显示平均功率,例如来自Q开关或锁模激光器。 为了测量脉冲能量,还有其他仪器,称为光能计。

大多数功率计仅适用于光束半径相当有限的光束,例如漫射光,但有例如带有积分球的特殊传感器头,它可以接受并精确测量高度发散的输入光束,例如来自发光二极管。

图1:典型热功率计的头部。这张照片由Ophir Optronics提供。

通常,光功率计带有一个包含功率传感器的传感器头(见图1),该传感器通常安装有一个柱子,用于接收光学工作台上方一定高度的水平输入光束。 传感器头可以配备额外的光衰减器,以扩展测量范围;这些器件特别适用于基于光电二极管的器件。

传感器头可以连接到独立的显示仪器,包含用于激光功率的模拟或数字显示器。 通常,它允许用户在不同的功率范围之间进行选择,并可能进行其他设置,例如关于响应速度(慢速或快速模式)或激光波长。 用于电信应用的器件也可以以dBm为单位显示功率,即相对于1 mW的分贝。 一些仪器具有模拟电输出,提供与接收光功率成比例的电压信号,和/或用于连接到计算机的数字接口(例如USB,GPIB,RS-232,WLAN或蓝牙)。

显示仪器通常可以与不同的传感器头结合使用,甚至可以与不同类型的传感器头结合使用,例如热释电和光电二极管类型。 一些仪器也可以用作光能计。

还有“无米”传感器头,可以直接连接到计算机,通常带有USB接口。 它们只包含很少的电子设备,特别是除了数字接口之外的模数转换器,这些电子设备可以集成到传感器头本身或USB连接器或电缆沿线的某个位置的紧凑型设备中。 一种使用设备附带的软件来显示值,更改测量范围,也可能用于数据记录和类似目的,超出了典型独立功率计的功能。 这种设备节省了额外显示器的成本,也可能非常方便,例如对于携带笔记本电脑旅行的工程师来说,只需携带最少的额外仪器。 此外,这种功率传感器可以连接到更复杂的系统,例如激光打标机。

传感器类型

热传感器

大多数功率计基于热探测器的原理:在某些带有黑色涂层的吸收器结构中,光功率转换为加热功率,并测量由此产生的温升(或实际上是吸收器和安装座之间的温差),例如使用热电堆。 这种热功率计(见图1)对于≈0.01 W到几千瓦之间的平均功率很有用(但请注意,单个传感器头不能跨越整个范围)。 通常,对于大约 10 W 以上的功率,需要使用风扇甚至水进行一些冷却。

热功率计相当坚固(尽管应避免过于紧密地聚焦在吸收器上),中等精度,可在宽波长范围内使用(具有相当独立于波长的灵敏度),并且相对较慢。

当热功率计设置为高灵敏度(响应度)时,例如最大功率低于100 mW时,在测量过程中不应用手触摸其支架。 这是因为安装座的任何加热都会引起温差,从而改变读数。

光电二极管

光电二极管可以制造更灵敏、速度更快的功率计,通常基于硅(Si),但对于近红外,也可以使用锗(Ge)。 砷化铟镓(InGaAs)在功率计中不太常见,因为大面积InGaAs探测器价格昂贵。 可以测量微瓦级甚至更低的功率。 当使用合适的衰减器时,这些仪器也可用于测量高功率。 然而,它们不如热功率计坚固:当暴露在过高的光学强度下时,它们更容易损坏。

由于光电二极管的高灵敏度,它们也非常适合带有积分球的传感器头。 在这种情况下,也可以使用InGaAs光电二极管,因为尽管光电二极管面积较小,也可以实现较大的输入面积。

对于单波长应用,基于光电二极管的功率计就可以了;对于宽带灯,它们可能不适合。</p

此外,光电二极管的灵敏度与波长相当相关,因此基于光电二极管的功率计通常需要用户对波长进行设置。 然后,该器件使用内部校准表来补偿波长相关的响应度。 当然,当使用功率计用于在不同波长工作的激光器时,不应忘记调整该设置,否则功率校准将是错误的。 显然,这种方法不适用于具有非常宽带或可变光谱的光束,而它可能非常适合激光波长很少改变的情况。

功率计规格

光谱响应

制造商通常指定一定范围的光学波长,以达到引用的测量精度。 对于热功率计,该范围可能相当宽,例如延伸到红外光谱区域,因为制造宽带吸收器(例如带有黑色涂层)并不太困难。 请注意,引用的光谱范围可能小于光谱响应;可能存在检测器反应的波长区域,但不是校准响应。

基于光电二极管的仪器也可以在很宽的波长范围内工作,例如,使用从近紫外到略高于1μm的Si基二极管,但响应度在此范围内变化很大。 因此,如上所述,用户必须设置波长,并且仪器通常必须“相信”此设置是正确的。 原则上,这种功率计可以配备波长传感器,但这并不常见。

功率测量范围

大多数功率计允许用户在不同的功率测量范围之间切换,例如,最大功率为 0.1 W、0.3 W、1 W 和 3 W。 使用模拟显示器,只有在选择合适的测量范围时才能获得准确的读数。 即使对于数字显示器,也应该选择一个适当的范围,因为在过高的范围内测量时,精度可能会受到影响。

避免过于强烈的聚焦输入光束!

特定传感器头的最大允许功率主要受损坏问题的限制。 但请注意,当以不适当的小光束直径传输输入光束时,光功率远低于最大允许功率的传感器头很容易损坏。 然后局部强度变得过高,这对于基于光电二极管的器件来说尤其是一个问题。 (即使在损坏发生之前,也可能存在局部饱和效应,导致读数错误。 因此,仪器规格通常包括允许的最大输入强度。 对于激光脉冲(特别是来自Q开关激光器)的操作,可能有一个额外的规格,规定最大允许脉冲通量(以J/cm为单位)2).

最小测量范围受测量噪声的限制,通常受来自传感器头的噪声限制。 当应用可以接受较慢的响应时,低通滤波可以在一定程度上降低噪声。 通常会选择最低范围,以使测量不确定度仍至少保持在最大功率以下10至20 dB。

基于光电二极管的功率传感器比热传感器灵敏得多。 在这里,最低测量范围通常在微瓦区域甚至更低。 对于敏感的测量范围,当然必须小心避免环境光的影响,例如使用适当的屏蔽(例如光束路径周围的黑色阳极氧化管)和/或在黑暗的实验室中工作。

准确性

对于特定测量范围内接近最大读数的功率,典型的测量精度约为 ±3% 或 ±5%。 在某些范围内远低于最大值的功率可能不太精确。

要获得更好的精度,需要定期重新校准,并且无论如何都会受到探测器均匀性(见下文)、热漂移和其他影响的限制。

速度

热功率传感器本质上相对较慢 - 特别是那些用于高功率的传感器,其中传感器的热容量暂时更高。 典型的响应时间约为0.2秒至2秒。 即使是基于光电二极管的功率计通常也不会很快,因为无论如何都无法读取例如每秒更新 10 次的显示器。 对于具有较高测量带宽的功率测量,必须使用其他类型的仪器(某些光电探测器)。

响应的有效面积和均匀性

功率计的典型有效区域为圆形或方形,尺寸在5毫米到几厘米之间。 较大的有源区域通常由更高功率的器件提供。

基于热功率计和基于光电二极管的光功率计的一个可能问题是响应的均匀性。 对于热功率计,由于不同光束位置的吸光度或温度分布取决于结果,因此缺乏均匀性。 对于光电二极管,过高的光学强度很容易导致不均匀的响应。

带有积分球的传感器头自然可提供最高的探测器均匀性。

电子输出

一些仪器具有模拟输出(例如通过BNC插座),其中输出电压通常与输出功率相对于特定测量范围内的最大功率成正比。

数字接口非常通用,允许在计算机上大幅扩展功能。 例如,尽管甚至可以由独立设备提供数据记录,但在计算机上处理和存储此类数据可能更方便。

尺寸

光功率传感器的机械尺寸可能与应用非常相关,例如,当传感器需要临时插入某些光束路径时,其中可用空间很小。 有一些非常扁平的手持式传感器,大多基于光电二极管,需要的空间很小。

电源

功率计需要一些电力,这些电力可以通过外部电源或电池(通常可充电)提供。 电池供电的操作当然方便,通过消除另一根电缆进入附近电源插座的要求,但另一方面,需要定期充电也可能不方便。 连接到计算机的设备(例如通过USB电缆)可以从那里获得电源。

光纤耦合功率计

虽然大多数光功率计都有光的自由空间输入,但也有光纤耦合光功率计,主要用于光纤通信领域的应用。 在这里,输入通常通过带有光纤跳线的光纤连接器提供。

例如,这种功率计可用于在发生故障或误码率过高的情况下检查某些光纤中的光功率电平是否合适。

用于电信应用的光纤耦合功率计通常具有特殊的附加功能,例如:

  • 它们通常具有线性单位(例如毫瓦)和对数单位(分贝)的数字显示。
  • 它们可能仅适用于特定的窄波长范围,提供不同的电信,甚至可能具有自动波长识别功能。
  • 它们可以存储许多功率读数,这在不同光纤或不同情况下进行后续测量时非常有用。

电源监视器

对于光纤电信系统中的永久监控,有特殊的功率监视器。

光功率计主要用于临时用途,例如在测试实验室设置或进行维护操作时。 对于功率的永久监控,主要是在光纤通信的背景下,人们经常使用光功率监控器,它可以集成到系统中。 这种功率监测器也以光纤耦合形式提供,其中来自被测光源的光通过光纤电缆和光纤连接器提供。 还有一些设备可以设置为仅记录具有特定波长的光,例如用于测量特定WDM传输通道的功率。

光检测和表征

作          者: 泮桥成像光电商城

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