光電二極管探頭
光電二極管探頭會(huì)根據(jù)接收到的光功率和入射光的波長(zhǎng)傳輸電流信號(hào)。該電流將會(huì)輸入一個(gè)互阻放大器中，互阻放大器輸出的電壓是與輸入的電流成正比的。由于光電二極管的響應(yīng)率是與光波長(zhǎng)相關(guān)的，所以實(shí)際探測(cè)的光波長(zhǎng)應(yīng)在其中心工作波長(zhǎng)附近才可以實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。功率計(jì)表頭通過與之相連接的探頭可以確定在特定輸入波長(zhǎng)下的響應(yīng)率，并能夠根據(jù)測(cè)得的光電流計(jì)算出光功率。
光電二極管探頭的工作原理
一個(gè)光電二極管（PD）實(shí)際上就是一個(gè)半導(dǎo)體p-n結(jié)。當(dāng)能量足夠的光子入射到p-n結(jié)上時(shí)，p-n結(jié)將會(huì)發(fā)射電子，從而在其中產(chǎn)生電流。光電二極管可以在光伏模式或光導(dǎo)模式下工作。在光伏模式下，光電二極管的陽極和陰極與一個(gè)負(fù)載電路相連接，這樣一來光電二極管就可以傳導(dǎo)電流。在光導(dǎo)模式下，光電二極管的兩端被施加一個(gè)反向的偏壓，反向電流的大小取決于入射光功率的大小。反向偏壓將會(huì)大幅度減小光電二極管對(duì)入射光子的響應(yīng)時(shí)間。因此，光導(dǎo)模式常用于高速光電探測(cè)器。但是，在光導(dǎo)模式下，PD電流對(duì)溫度的依賴性卻是一個(gè)明顯的缺點(diǎn)。
在功率測(cè)量應(yīng)用中，光電二極管探頭工作于光伏模式下。這時(shí)，光電二極管的陽極和陰極與一個(gè)互阻放大器的輸入端相連接，該放大器可以將光電流轉(zhuǎn)化為輸出電壓。一個(gè)光電二極管至大可以傳導(dǎo)幾毫安的光電流。光電二極管的響應(yīng)率是傳導(dǎo)電流與入射光功率的比值，通常以“安培/瓦”為單位。響應(yīng)率與制造光電二極管的材料以及入射光的波長(zhǎng)相關(guān)。光電二極管的max輸出電流被限制在IPD = f （Poptical）特征曲線的線性部分，換言之，受到飽和效應(yīng)的限制。
如果需要將可測(cè)光功率值擴(kuò)大到幾十毫瓦時(shí)，可以在光電二極管之前放置一片衰減片來增大可測(cè)量的光功率。通常情況下可以采用一片中性密度（ND）濾光片。與響應(yīng)度相類似，一片ND濾光片的光密度也是與波長(zhǎng)相關(guān)的。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，光電二極管的響應(yīng)率會(huì)由于老化而發(fā)生改變。對(duì)于直徑很小的光束，如果入射位置不同，光電二極管探頭的均勻性差異會(huì)導(dǎo)致輸出電流的不同。如果光束直徑超過了PD探頭的有效區(qū)，可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)測(cè)量。
積分球探頭的工作原理
積分球的內(nèi)表面在較寬波長(zhǎng)范圍上具有高反射率。它是由基于PTFE的高反射性塊狀材料制成的，能夠抵抗熱、濕度和較強(qiáng)級(jí)別的輻射。
入射光束從積分球的內(nèi)表面漫反射，在整個(gè)球體表面產(chǎn)生了強(qiáng)度均勻的分布。光電二極管凹陷在探測(cè)器端口內(nèi)，以避免意外曝光。因此，由光電二極管檢測(cè)的光的衰減與探測(cè)器的有效面積除以球體表面積的值成比例。如果dPD 是探測(cè)器的有效面積的直徑，且dIS是積分球的內(nèi)徑，那么衰減可用公式表示為：
熱敏探頭可以傳遞與輸入光功率成正比的電壓。每個(gè)探頭的響應(yīng)率數(shù)據(jù)都保存在其EEPROM中，可以通過表頭讀取?；跍y(cè)得的探頭輸出電壓及其響應(yīng)率，表頭可以將入射到探頭上的光功率值計(jì)算出來。
熱敏探頭包含了若干個(gè)熱電偶，采用的是熱電效應(yīng)（亦稱為塞貝克效應(yīng)）工作原理，即任意導(dǎo)體在熱梯度中都會(huì)產(chǎn)生一定的電壓。因此，如果在兩個(gè)界面之間存在一個(gè)溫度差異，在兩個(gè)界面之間將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差。該過程可以看做是珀?duì)柼?yīng)的逆過程。
在一個(gè)熱敏探頭中，入射激光光束的能量會(huì)被熱勢(shì)電偶的入射表面吸收，并轉(zhuǎn)化為熱量。熱電偶的其它表面由于與探頭中的散熱器相接觸，仍然會(huì)保持相對(duì)低溫狀態(tài)。兩個(gè)表面之間的溫度梯度大小取決于入射光的功率。因此，冷、熱表面之間產(chǎn)生的電壓是與入射光功率成正比的。
熱敏探頭將光功率轉(zhuǎn)化為電壓的能力取決于探頭表面吸收光功率并將其轉(zhuǎn)化為熱量的能力。為了增強(qiáng)表面吸收，探測(cè)表面會(huì)鍍上一層膜。為了達(dá)到更好的效果，該膜層應(yīng)與波長(zhǎng)相關(guān)（即，吸收效率取決于入射波長(zhǎng)），并具有較高的損傷閾值（即，具有承受較高光功率密度的能力）。
熱電偶自身是對(duì)激光波長(zhǎng)不敏感的—它只將熱轉(zhuǎn)化為電壓。但是，由于其附帶的吸收膜層會(huì)反射一小部分入射光，并且反射過程稍與波長(zhǎng)有關(guān)，因此它才表現(xiàn)出對(duì)波長(zhǎng)的依賴性。由于熱敏探頭所采用的鍍膜并不是透明的，故不會(huì)讓入射光從中透射，同時(shí)，在理想情況下，轉(zhuǎn)化過程的效率僅與反射（R）和吸收（A）因子有關(guān)，它們滿足R +A = 1或A = 1- R。 因此，吸收率與波長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系可以通過測(cè)量某個(gè)特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射率進(jìn)行計(jì)算。
能量探頭是基于熱釋電效應(yīng)設(shè)計(jì)的。因此，它們可以傳遞與脈沖能量成正比的峰值電壓。如果表頭識(shí)別了一個(gè)熱釋電探頭，它會(huì)自動(dòng)地探測(cè)峰值電壓，并根據(jù)響應(yīng)率計(jì)算出脈沖能量。
熱釋電探頭可以歸類于熱探測(cè)器。它們可以直接將能量脈沖轉(zhuǎn)化為電壓脈沖，并且不會(huì)受到入射光波長(zhǎng)的影響。這些探測(cè)器的組成材料具有共軸性，因此對(duì)諸如脈沖氣體激光器等光源的電磁輻射的干擾并不敏感。
每個(gè)探測(cè)器都鍍有一層黑色吸收層，可以在185納米至25微米的波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有近乎常數(shù)的吸收率。這些探測(cè)器具有相當(dāng)高的靈敏度，在實(shí)際應(yīng)用中特別有優(yōu)勢(shì)。這些探頭不需要額外的放大器，由于它們對(duì)干擾并不敏感，所以能夠測(cè)量微焦量級(jí)的激光脈沖。
max脈沖重復(fù)率取決于探頭的內(nèi)部電容和負(fù)載電阻。所有探頭都可以用BNC插頭直接與一個(gè)示波器的1兆歐輸入相連接。一個(gè)小負(fù)載電阻（附帶100千歐電阻）可以用于獲得至高脈沖重復(fù)率，使其能夠測(cè)量至高為100Hz重復(fù)率的光源。這些探頭的響應(yīng)靈敏度也對(duì)應(yīng)地進(jìn)行了標(biāo)定。
所有熱釋電探頭均具有20 ms的熱敏時(shí)間常數(shù)，τ。該值表示探頭探測(cè)單束脈沖后需要的恢復(fù)時(shí)間。為了探測(cè)到正確的能量等級(jí)，脈沖光必須比0.1τ短，并且您的光源的重復(fù)率必須低于1/τ。
光電二極管探頭: 這些探頭設(shè)計(jì)用于單色光源或近單色光源的功率測(cè)量，因?yàn)樗鼈兙哂胁ㄩL(zhǎng)相關(guān)響應(yīng)。這些探頭根據(jù)輸入光功率和波長(zhǎng)輸出電流。電流輸入到跨阻放大器中，該放大器輸出一個(gè)正比于輸入電流的電壓。
熱功率探頭:這些熱電堆探頭由在超寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)光譜響應(yīng)相對(duì)平坦的材料制成，它們適用于寬帶光源( 例如LED和SLD)的功率測(cè)量。熱功率探頭的輸出電壓與輸入光功率成正比。
熱釋電能量計(jì)探頭: 我們的熱釋電探頭通過熱釋電效應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)輸出電壓，適合測(cè)量脈沖光源，重復(fù)率被探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)限制。這些探頭輸出與輸入脈沖能量成正比的峰值電壓。
表頭將根據(jù)用戶輸入的波長(zhǎng)來讀出響應(yīng)值并計(jì)算功率或者能力度數(shù)。
光電二極管探頭根據(jù)輸入的光功率和波長(zhǎng)輸出電流。電流流入互阻抗放大器內(nèi)，然后輸出一個(gè)與電流成比例的電壓。光電二極管的響應(yīng)率取決于波長(zhǎng)，所以要得到精確的功率示數(shù)必須輸入正確的波長(zhǎng)。表頭根據(jù)這個(gè)波長(zhǎng)從探頭讀取響應(yīng)度并根據(jù)光電流計(jì)算光功率。
熱敏探頭的輸出電壓正比于輸入光功率。根據(jù)測(cè)量的探頭輸出電壓和探頭的響應(yīng)度，表頭將計(jì)算出入射光功率。
能量探頭基于熱電效應(yīng)。它們輸出的電壓峰值與脈沖能量成正比。如果識(shí)別了能量探頭，表頭將使用一個(gè)峰值電壓探測(cè)器并根據(jù)探頭的響應(yīng)度計(jì)算脈沖能量。
大多數(shù)探頭在其有效區(qū)域上無法提供完全均勻的響應(yīng)（積分球探頭除外，因?yàn)樗鼘⑦@個(gè)特性整合到了設(shè)計(jì)的一部分中）。因此，為了克服這些不均勻問題，入射光應(yīng)具有填充探頭有效區(qū)域的至少10%的直徑。然而，同樣重要的是不要過滿照射探頭（即，傳感器有效區(qū)域平面內(nèi)的光束尺寸必須不能超過有效區(qū)域的大?。?duì)于高功率或高能量的光束，建議選擇比光束直徑大約20%至30%的探測(cè)器尺寸。
光束尺寸會(huì)影響一個(gè)光源是否在探頭的max允許功率和能力密度規(guī)格的范圍內(nèi)。這些max額定值附帶在每個(gè)探頭的規(guī)格中。請(qǐng)注意，如果您的光束不具有平坦的空間強(qiáng)度分布，那么max功率或能量密度規(guī)格在光束的亮區(qū)域中必須不能被超過。例如，具有高斯強(qiáng)度分布的光束在光束中央不應(yīng)具有超過功率（能量）密度規(guī)格的功率（能量）密度。
使用熱探頭或熱釋電探頭時(shí)，可以忽略光源的線寬。然而，對(duì)于光電二極管探頭，產(chǎn)生的電流非常依賴于工作波長(zhǎng)。如果光源的線寬大于10 nm (例如，LED)，那么功率計(jì)可能顯示不正確的功率讀數(shù)。
使用光電二極管探頭時(shí)，為了對(duì)于寬帶光源實(shí)現(xiàn)合理的功率測(cè)量，探測(cè)器的響應(yīng)曲線必須在光源的線寬范圍上接近線性。如果功率計(jì)上的工作波長(zhǎng)設(shè)定為光源的中心波長(zhǎng)，那么在光源的波長(zhǎng)關(guān)于中心波長(zhǎng)對(duì)稱時(shí)測(cè)量的光學(xué)輸出功率將近似正確。
光電二極管、中性密度（ND）濾光片的表面以及熱探頭的黑色鍍膜都會(huì)導(dǎo)致入射光的一些背向反射。如果這種背向反射進(jìn)入設(shè)備的孔徑中，比如激光二極管或氦氖激光器，它可能會(huì)影響激光器的功率穩(wěn)定性。我們建議相對(duì)于激光束略微傾斜功率計(jì)探頭，使得任何背向反射都不會(huì)進(jìn)入激光器的輸出孔徑中。如果必需完全避免背向反射，我們建議使用我們的積分球探頭，因?yàn)槿肷涔鈳缀跬耆梢栽谔筋^內(nèi)被吸收。
環(huán)境光或雜散光可以強(qiáng)烈影響自由空間應(yīng)用中的測(cè)量精確性。通過重置探測(cè)器的零電平來減去恒定背景光。功率計(jì)無法補(bǔ)償變化的環(huán)境光，比如日光或室內(nèi)光的開/關(guān)。在這些情況下，探頭需適當(dāng)遮蔽以免受到環(huán)境光和雜散光的照射。
功率計(jì)一般都在室溫下校準(zhǔn)（23 ± 5 °C）。
在大多數(shù)情況下，光電二極管探頭的響應(yīng)度對(duì)比于整體測(cè)量精度會(huì)有±5%的可忽略的溫度相關(guān)性。然而，暗電流對(duì)于溫度很敏感，它可以干擾較低光功率的測(cè)量。這種情況下，建議進(jìn)行適當(dāng)調(diào)零。
相比之下，熱探頭會(huì)對(duì)發(fā)生在感熱盤與散熱器之間的任何溫度差有響應(yīng)。探頭周圍氣流上的干擾或者散熱器溫度的增加（將感熱盤長(zhǎng)期暴露到激光束的過程中可能會(huì)發(fā)生這種情況）都可能對(duì)精確的功率測(cè)量造成干擾。為了將這些效應(yīng)降到min，探頭應(yīng)該盡可能屏蔽氣流。探頭應(yīng)該針對(duì)用戶的操作條件來適當(dāng)調(diào)零。例如，冷探頭可以針對(duì)短時(shí)間測(cè)量進(jìn)行調(diào)零。然而，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量，應(yīng)該允許探頭在調(diào)零之前達(dá)到某一熱平衡狀態(tài)（例如，在曝光約10分鐘后）。
降低噪聲以實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量
來自接地、線纜電容、溫度效應(yīng)、雜散光和環(huán)境光，以及探測(cè)器的噪聲都可能干擾測(cè)量的精度。測(cè)量較低的光學(xué)功率時(shí)，這些噪聲源會(huì)造成更大的影響。下面是將噪聲效應(yīng)降到min的一些提示和建議：
功率探頭應(yīng)該直接接地(例如，通過安裝接桿)，因?yàn)橥鈿みB接到功率計(jì)的數(shù)字接地端。
能量探頭應(yīng)該安裝成它們從接地端隔離，因?yàn)橥鈿みB接到功率計(jì)的模擬接地端。
因?yàn)樘筋^線纜可以傳導(dǎo)非常小的電流或電壓信號(hào)，并且移動(dòng)線纜時(shí)，線纜的電容會(huì)引起干擾，對(duì)于非常小的功率或能量測(cè)量，線纜應(yīng)該處于固定位置。
對(duì)于光電二極管探頭，帶寬應(yīng)設(shè)定為"低"。對(duì)于熱探頭，應(yīng)該關(guān)閉加速電路。
探測(cè)器噪聲對(duì)于Si或InGaAs探頭是低的。
自由空間應(yīng)用中的長(zhǎng)期測(cè)量需要恒定的環(huán)境光條件，或遮蔽來自外部光源的光路。
溫度應(yīng)該在測(cè)量期間保持穩(wěn)定。
激光從光纖頭以圓錐形發(fā)射，開口角是光纖接受角的兩倍。光纖接受角可以通過下式計(jì)算：
其中NA是光纖的數(shù)值孔徑，n是折射率(對(duì)于空氣，n=1)。
對(duì)于典型的光纖，所發(fā)射的光的總角度(2Θ)在15°與25°之間。如果使用一個(gè)有角度的接頭，那么圓錐形將從光纖軸傾斜約4°。
為了獲得精確的測(cè)量結(jié)果，必須考慮從光纖頭到探測(cè)器位置所發(fā)生的光束擴(kuò)張，以避免過度照射探測(cè)器。相反，要使高功率光纖激光器減小它的功率密度，光纖頭與探測(cè)器表面之間維持某一尺寸間隙。
對(duì)于測(cè)量具有較大發(fā)散角的光纖輸出，或者必須避免背向反射的應(yīng)用，我們建議使用我們的積分球探頭。
基于光纖的測(cè)量而設(shè)計(jì)的探頭。這些探頭直接插到功率計(jì)中，在探頭與表頭之間沒有線纜，使測(cè)量的干擾降到min。
能量探頭基于熱釋電效應(yīng)，并具有20 ms的熱時(shí)間常數(shù)。結(jié)果是，當(dāng)探頭連接到1 MΩ的負(fù)載時(shí)，能量的測(cè)量限制在30 Hz至40 Hz的max重復(fù)率。下面概括了用于獲得精確能量測(cè)量的重要考慮因素。
熱釋電探頭提供峰值振幅與脈沖能量成比例的電壓脈沖。當(dāng)功率計(jì)表頭操作于峰值探測(cè)器模式時(shí)，它指示的是各個(gè)脈沖的能量。觸發(fā)電平可以設(shè)置在所選能量范圍的0%至99%之間，并且它定義峰值探測(cè)器識(shí)別脈沖，開始記錄數(shù)據(jù)并等待到達(dá)峰值的較低閾值。因而，觸發(fā)電平必須設(shè)定成高于噪聲水平，低于預(yù)期能量。一種有效的方式是連接探頭，選擇所需范圍，并增大觸發(fā)電平，直到表頭停止連續(xù)測(cè)量功率位置。請(qǐng)注意，最后的測(cè)量值保持顯示在表頭上（能量測(cè)量模式中的峰值保持）。
脈沖重復(fù)率必須不能超過對(duì)于實(shí)際探頭類型指定的最大值。否則，測(cè)量的值會(huì)受到后續(xù)的脈沖影響。
增大max可測(cè)量重復(fù)率的方式是將能量探頭與一個(gè)示波器（高電平-Z輸入）和一個(gè)100 kΩ終端電阻器一起使用（注意：我們通常在這種配置中為能量探頭提供一個(gè)校準(zhǔn)值?？捎玫碗妷哼M(jìn)一步降低重復(fù)率，但是這將會(huì)減弱輸入到示波器的信號(hào)。各個(gè)探頭校準(zhǔn)數(shù)據(jù)表中沒有提供低電阻下探頭性能的數(shù)據(jù)。）
能量探頭可以探測(cè)和測(cè)量亞納秒范圍到約2 ms的持續(xù)時(shí)間的脈沖。max脈沖持續(xù)時(shí)間取決于兩個(gè)因素：
探頭的電氣時(shí)間常數(shù)，由探測(cè)器性能和負(fù)載電阻決定
通常，熱時(shí)間常數(shù)具有更顯著的影響。
能量探頭不僅對(duì)入射在吸收體上的光脈沖有響應(yīng)，而且對(duì)機(jī)械脈沖也有響應(yīng)。這個(gè)特性可用于快速檢查熱釋電探頭的可操作性。
松開紅色9個(gè)引腳的D-sub接頭，并將探頭的BNC線纜連到示波器輸入端。請(qǐng)確保該輸入設(shè)定成直流耦合，和“高電平-Z（High-Z）”。選擇適當(dāng)?shù)腦和Y分辨率。
將探頭輕輕敲擊桌面。如果探頭正常運(yùn)作，在示波器屏幕上應(yīng)該會(huì)顯示脈沖。如果您看不到脈沖，試著更改Y靈敏度和觸發(fā)的設(shè)定。
功率計(jì)可以在以下條件下讀取脈沖信號(hào)的平均功率：
峰值功率低于探頭的損傷閾值。無論脈沖長(zhǎng)度和重復(fù)率是多少，這都成立。因?yàn)闊崽筋^反應(yīng)非常慢，它們會(huì)整合有效區(qū)域上的入射功率。
光電二極管探頭可以分辨納秒級(jí)范圍的短脈沖。因此，脈沖峰值功率不應(yīng)大于探頭的max功率范圍。如果脈沖峰值功率超過設(shè)定的功率范圍，讀數(shù)將會(huì)消減，并產(chǎn)生不正確的平均值。min-max顯示功能對(duì)于尋找適當(dāng)功率范圍很有用。
帶寬設(shè)定也會(huì)影響某些脈沖長(zhǎng)度和重復(fù)率下的功率讀數(shù)。使用'低（LOW）'帶寬設(shè)定進(jìn)行穩(wěn)定顯示，用'高（HIGH）'帶寬設(shè)定通過模擬輸出監(jiān)測(cè)脈沖。
飛秒激光器的重復(fù)率多為幾百M(fèi)Hz，而脈沖持續(xù)時(shí)間是以幾十飛秒的數(shù)量級(jí)。熱探頭通常為測(cè)量平均功率提供較佳結(jié)果，因?yàn)槊}沖的能量通常是適中的。然而，仍然重要的是核實(shí)光源不會(huì)超過所選探頭的max額定值。探頭規(guī)格的定義和用于計(jì)算脈沖特性的常見公式可查看定義標(biāo)簽。
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