幾種光功率測(cè)量方法的介紹
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發(fā)布時(shí)間：2023-03-09 11:17:20
光功率計(jì)(optical power meter )是指用于測(cè)量絕對(duì)光功率或通過(guò)一段光纖的光功率相對(duì)損耗的儀器。在光纖系統(tǒng)中，測(cè)量光功率是基本的，非常像電子學(xué)中的萬(wàn)用表;在光纖測(cè)量中，光功率計(jì)是重負(fù)荷常用表。通過(guò)測(cè)量發(fā)射端機(jī)或光網(wǎng)絡(luò)的絕對(duì)功率，一臺(tái)光功率計(jì)就能夠評(píng)價(jià)光端設(shè)備的性能。用光功率計(jì)與穩(wěn)定光源組合使用，則能夠測(cè)量連接損耗、檢驗(yàn)連續(xù)性，并幫助評(píng)估光纖鏈路傳輸質(zhì)量。
熱學(xué)法在波長(zhǎng)特性、測(cè)量精度等方面較好，但響應(yīng)速度慢，靈敏度低，設(shè)備體積大。這種方法探測(cè)器一般輸出的是uV、mV級(jí)別的電壓量。
光電法有較快的響應(yīng)速度、良好的線性特性而且靈敏度高，測(cè)量范圍大但其波長(zhǎng)特性和測(cè)量精度方面不如熱學(xué)法。這種方法一般輸出的是nA、uA級(jí)別的電流量。
熱學(xué)法就是先將光能被探測(cè)器表面吸收，轉(zhuǎn)換為熱量，然后再通過(guò)熱電探測(cè)器將熱量轉(zhuǎn)換為電量，最后通過(guò)電量指標(biāo)確定功率大小的方法。
熱學(xué)法測(cè)量功率的探測(cè)器一般設(shè)計(jì)為如圖2.1.1結(jié)構(gòu)（我們稱之為圓盤(pán)式熱電堆激光功率探測(cè)器）：
圖2.1.1 圓盤(pán)式熱電堆功率探頭結(jié)構(gòu)原理
圓盤(pán)式熱電堆激光功率探頭由幾十個(gè)熱電偶串聯(lián)起來(lái)，整個(gè)熱電堆固定在環(huán)形云母架上，通過(guò)測(cè)量?jī)啥穗妱?shì)差來(lái)反映激光功率的大小。當(dāng)激光光源照射在熱電堆探測(cè)器靶心時(shí)，產(chǎn)生熱量，熱量通過(guò)探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電勢(shì)由中心沿著無(wú)源區(qū)向邊緣擴(kuò)散，在熱電偶的熱端和冷端形成電勢(shì)差，最終輸出電壓，這種工作原理被稱之為熱電效應(yīng)（也稱之為塞貝克效應(yīng)）。
圖2.1.2所示為圓盤(pán)式熱電堆功率探測(cè)器。
圖2.1.2 圓盤(pán)式熱電堆功率探測(cè)器
理論上，熱電偶對(duì)光波長(zhǎng)不敏感，只是將熱量轉(zhuǎn)化為電壓。但是，由于熱電功率計(jì)探頭表面附帶的熱吸收膜層的材料特性，會(huì)反射一小部分入射光，而反射光的過(guò)程與波長(zhǎng)稍有關(guān)系，因此熱電功率探頭對(duì)波長(zhǎng)稍有依賴。
熱電功率探頭對(duì)波長(zhǎng)的依賴性曲線如圖2.1.3和圖2.1.4所示。
圖2.1.3 大功率熱電探頭波長(zhǎng)吸收曲線
其中SHC、HPB、BBF為熱吸收膜層材料，功率計(jì)探頭GCI-080220所用膜層材料為BBF，GCI-080250和GCI-0802200所用材料為HPB。
由于熱吸收膜層的材料不同，所以不同的探頭的損傷閾值是不一樣的。一般用作熱吸收膜層的材料都具有較高的損傷閾值（具有承受較高的光功率密度的能力），并且具有相對(duì)較強(qiáng)的光熱轉(zhuǎn)換效率。
因?yàn)闊犭娞綔y(cè)器輸出電壓一般較小，均為uV、mV級(jí)別的電壓量，所以后續(xù)一般都會(huì)涉及相應(yīng)信號(hào)處理電路，熱學(xué)法測(cè)量光功率原理框圖如圖2.1.4所示。
圖2.1.4 熱學(xué)法測(cè)量光功率原理框圖
光電法指的是通過(guò)光電探測(cè)器直接將光轉(zhuǎn)換為電量，然后通過(guò)電量指標(biāo)確定功率大小的方法，實(shí)質(zhì)上是測(cè)量光電檢測(cè)器在受光輻射后產(chǎn)生的微弱電流，該電流與入射到光敏面上的光功率成正比。
光電法測(cè)量功率一般都使用光敏面積較大的光電二極管探測(cè)器。光電二極管可以在光伏模式或光導(dǎo)模式下工作（如圖2.2.1）。在光伏模式下，光電二極管的陽(yáng)極和陰極與一個(gè)負(fù)載電路相連接，這樣一來(lái)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
在功率測(cè)量的應(yīng)用中，光電二極管要工作于光伏模式下，這時(shí)，光電二極管的陽(yáng)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)光電二極管最大可以傳導(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)極其相關(guān)。
光電二極管根據(jù)制作材料的不同，其光譜響應(yīng)度也是不一樣的，且不同波長(zhǎng)的光的響應(yīng)度差異較大。不同材料制成的光電二極管的光譜響應(yīng)度如圖2.2.2所示
圖2.2.2 典型材料的光電二極管的光譜響應(yīng)曲線
一般情況下，使用光電二極管測(cè)量光功率，所測(cè)最大功率均不會(huì)很大（最大約3-5mW），若想測(cè)量更大的激光功率（最大測(cè)量功率擴(kuò)展到幾十甚至幾百毫瓦），需要在探測(cè)器前放置衰減片。例如大恒光電的功率計(jì)探頭GCI-080101就是通過(guò)在探測(cè)器前增加衰減片的方式，將光電探測(cè)器的最大測(cè)量功率擴(kuò)大到1W。
探測(cè)器前放置衰減片的方式雖然可以擴(kuò)大功率計(jì)測(cè)量量程，但是衰減片的光透過(guò)率一般也與波長(zhǎng)有關(guān)，這將增加功率計(jì)標(biāo)定的難度。
光電法測(cè)量光功率原理框圖如圖2.2.3所示
任何情況下不要讓眼睛直視光功率計(jì)的激光輸出口，對(duì)端接入光傳輸設(shè)備同樣不要用眼睛直視光源。這樣做會(huì)造成永久性視覺(jué)燒傷。
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。所以在使用光功率計(jì)測(cè)量光功率的時(shí)候，建議相對(duì)于激光光束略微傾斜照射到光功率計(jì)探頭有效探測(cè)面積上。
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（特別是對(duì)光電探頭的影響）。通過(guò)重置探測(cè)器的零電平來(lái)減去恒定背景光。功率計(jì)無(wú)法補(bǔ)償變化的環(huán)境光，比如日光或室內(nèi)光的開(kāi)/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。比如為探頭設(shè)置遮光筒等方法。
使用熱電探頭的時(shí)候，光源線寬可以忽略（因?yàn)闊犭娞筋^對(duì)波長(zhǎng)響應(yīng)度基本一致）。然而對(duì)于光電探頭，探頭的響應(yīng)度非常依賴于光源的工作波長(zhǎng)，如果光源的線寬大于10nm，那么光功率計(jì)可能顯示不完全正確的功率讀數(shù)。這時(shí)，就要選擇光源的中心波長(zhǎng)作為功率計(jì)的工作波長(zhǎng)，才能測(cè)量到近似正確的結(jié)果。
如果所使用的光功率計(jì)含有電池，那么在不使用的時(shí)候，請(qǐng)給光功率計(jì)充滿電然后存放。如果長(zhǎng)期不用，請(qǐng)每個(gè)月給電池充電一次，以保護(hù)電池。
隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，探測(cè)器的響應(yīng)度會(huì)由于老化而發(fā)生改變，所以功率計(jì)使用要定期標(biāo)定。
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