《光功率测量：必备知识全解析》

光电二极管传感器基于光子与材料相互作用的原理运行。当光子撞击光电二极管材料时，会依据器件的量子效率产生电子空穴对。量子效率受多种因素影响，一般来说，若光子能量E = hv大于器件的能隙，这些光子会在复合率较高的表面附近被吸收，进而产生光电流。量子效率决定了光电二极管光谱响应的波长依赖性，不同的半导体材料，如硅和InGaAs，由于具有不同的能隙，在不同波长下呈现出不同的量子效率，从而形成特定材料类型所特有的光谱响应度分布。

光电二极管传感器的技术原理与特性

半导体光电二极管凭借其高灵敏度和低噪声特性，成为测量弱光的理想之选。大多数光电二极管制造商将其二极管设计为光电导（反向偏压）或光伏（无偏压）模式，这两种模式各有优缺点。在光伏模式下，光电二极管处于热平衡状态，会产生随机热噪声，即约翰逊电流噪声，其中k为玻尔兹曼常数，T为温度（以开尔文为单位），B为探测器/放大器的带宽，Rsh为光电二极管的分流电阻。由此可见，高分流电阻的光电二极管有助于降低约翰逊噪声。

另外，散粒噪声是由二极管中的电流产生的噪声，其中q为电子的电荷，Idark为暗电流，Iphoto为光电流。当光电二极管用于光伏模式时，二极管两端电压保持在零伏，几乎完全消除了暗电流，相应地，暗电流带来的散粒噪声也得以消除。相比之下，若探测器处于光导模式且有偏压，其暗电流将比无偏压探测器的噪声等效电流大30倍左右。

光电二极管产生的光电流通常由功率计直接测量，所使用的运算放大器电路称为跨阻抗放大器。一般情况下，即便在室温环境下，该测量也能精确到亚皮安，且具有良好的再现性。不过，当光电二极管的分流电阻像锗光电二极管一样小（如某些特定型号）时，由于分流电阻低（典型值为50kΩ），最多只能解析几十皮安培。

热电堆光学传感器的工作机制与应用要点

热电堆光学传感器在高功率（>1瓦）激光探测中发挥着重要作用。基本的高功率激光探测器本质上就是一个热电堆。热电堆常见的应用是施加电压来冷却其一侧及与之结合的物体，这也是热电冷却器名称的由来。然而，用于激光功率测量的热电堆则是利用温差来产生电压。其工作过程为：材料的一侧被激光加热，另一侧为散热器，材料吸收的激光能量转化为热量，当热量通过热电装置时产生温差，进而使热电堆产生电压。该电压与温差成正比，而温差又与激光功率成正比，显示器通过测量该电压来提供激光功率读数（以瓦特为单位）。

光吸收材料是热电堆探测器最重要的组成部分之一，其特性决定了探测器的大部分性能，尤其是对脉冲损伤的抵抗力。这种材料能吸收激光的大部分光能并转化为热量，根据材料和预期应用的不同，反射部分通常占总光功率的百分之几到50%，具体比例可参考材料的光谱吸收率响应曲线。

对于需要在小面积和短时间内对单个波长进行极高功率和能量集中的应用，体积吸收体是理想选择。与在表面吸收能量的宽频带材料不同，体积吸收体能在材料的整个厚度范围内吸收能量，根据波长的不同，它可以处理大于3J/cm²的能量密度和大于100,000MW/cm²的峰值功率密度。

用于激光功率测量的热电堆主要有晶片式热电堆和盘式热电堆两种。当光能量被吸收并流经含有热电偶的小间隙时，温度升高可能损坏热电偶接头，而盘式热电堆则具有独特优势。其圆盘由两组径向布置的接头组成，一组位于孔径下方，另一组靠近圆盘边缘且与大散热器相连，激光能量的吸收点在中心位置，从而在中心和边缘之间产生温差，热电偶产生的电压与该温差对应。与晶片式热电堆相比，盘式热电堆的热量径向流过圆盘，能够处理更大的平均功率，尤其是在吹风或水冷条件下，且其自然响应速度也更快。

热释电探测器的工作原理与测量注意事项

热释电探测器是专门用于测量最大宽度为5至400µs的短光脉冲能量的设备。它由具有永久偶极矩的铁电晶体制成，当受到光脉冲时，晶体受热引起偶极矩改变，从而导致电流流动，并转换成探测头的电压，该电压可以用光功率计或示波器测量。

热释电探测器的典型信号行为表现为：相对于短光脉冲，产生的热脉冲会加宽。在热脉冲期间，电流流过铁电晶体，产生振幅增加的电压。光功率计的电路能够测量输出电压刚开始增加时的电压和输出达到其峰值振幅时的电压之间的差值，然后用这个电压差乘以探测器的响应率（焦耳/伏特），即可得到脉冲的能量（焦耳）。

在使用热释电探测器时，必须注意不要超过其最大脉冲宽度或最大重复频率。若超过这些限制，由于探测器的电带宽限制，测量精度将会降低。

光电二极管的光谱定标方法与重要性

为确保光电二极管测量的准确性，光谱定标是必不可少的环节。通常采用双单色仪进行探测器校准，以最大限度地减少杂散光学噪声，尤其是在紫外线下。单色仪使用三个光栅和两个光源，在200至1800nm波长范围内可最大限度地提高信号噪声性能。其中，在310nm的紫外线范围内使用氘灯，在可见光和近红外范围内使用钨灯。

例如，景颐光电在光电二极管的光谱定标方面有着严格的标准和流程。其使用的探测器每年送往权威机构进行校准，如部分探测器送往NIST（美国国家标准技术研究所），部分送往NRC（加拿大国家研究委员会）。校准过程中，使用两个标准探测器，一个用于200至1100纳米的波长，另一个用于780至1800纳米的波长。NIST标准探测器的绝对响应精度基于低温辐射计，该辐射计对绝对SI单位的相对扩展不确定度(k = 2)为0.2%。

在对一个制造批次的探测器进行校准前，首先使用NIST可溯源标准探测器在整个待测探测器（DUT）校准的波长范围内以10nm步长测量单色仪的光通量。由于已知标准探测器的响应度，通过可计算出单色仪的光通量，其中Imeasured是标准探测器的测量电流。然后，以10nm的步长测量被测设备的光电流，用此电流除以单色仪的光通量，便可得到探测器光谱响应度（A/W）。

值得注意的是，光电二极管的响应度对温度敏感，尤其是在其可用波长范围的末端附近。例如，硅的温度依赖性在1100nm处会引起约10%的响应度变化，在接近室温的情况下发生5°C的变化。因此，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对于精确校准至关重要。

光功率计的工作基础与不同探测器连接时的测量差异

光功率计作为测量光功率的关键设备，其工作原理是基于对光电探测器产生的电流或电压的测量。虽然大多数人希望以dBm或Watts为单位进行测量，但光功率计实际上只能测量这些物理量所对应的电流或电压信号。

当光功率计与光电二极管连接时，必须测量电流的量。在众多测量电流的技术中，跨阻抗放大器电路是产生半导体光电二极管的探测率、信噪比和精度的首选电路。跨阻抗放大器的优势在于，当电流从光电二极管开始流动时，它不会使光电二极管产生偏压。通常，光电二极管的一根引线与地面相连，另一根引线通过跨阻抗放大器的负输入保持虚拟接地，从而使光电二极管上产生的偏压几乎保持在零伏。这种情况有助于最大限度地减少暗电流和噪声，并提高线性度和探测率。跨阻抗放大器能够使光电流流过反馈电阻器，从而在放大器的输出端产生电压V = iR，通过仪表可以看出精密反馈电阻器的值，进而非常准确地计算出电流。

当光功率计与热电堆或热释电探测器连接时，需要测量的是电压。然而，这两种类型的探测器在测量方式上存在显著差异。热电堆探测器产生的带宽电压（≈1Hz）非常慢，可在亚毫伏水平下测量。在解析这种低电压时，需要特别关注补偿或消除由连接处和印刷电路板中不同金属引起的温差电压，因为热电堆探测器中产生电压的理想物理效应与连接处和印刷电路板中的不良效应相似。因此，在选择电气部件时必须采取预防措施，将不需要的温差电压降至最低，同时，光学仪表必须能够将由于部件和热电堆的温度漂移而产生的任何偏置电压归零。

相比之下，热释电探测器产生的是微秒级的相对较快的上升时间信号。光学仪表中的电路必须采样和保持脉冲的基线电压和峰值振幅，然后将这两个电压输入到差分放大器中，通过探测器的响应度，该电压差决定了光脉冲中能量的大小。在使用热释电探测器时，必须采取预防措施避免采样和保持电路的意外触发，因为这些电路对噪声很敏感。而且，由于更快的热释电探测器的上峰较窄，电路的带宽必须足够快，以在不降低幅度精度的情况下捕获上峰的水平。

积分球光谱功率检测仪在光功率测量中的应用与优势

积分球光谱功率检测仪在光功率测量等领域具有广泛的应用。景颐光电的积分球光谱功率检测系统能够确保以精确和可重现的方法测定被校准或发散的激光或激光二极管。该系统的部件采用优质的PTFE高漫反射材料积分球对光源进行收集，其独特的几何结构设计使激光束功率测量不受激光束偏振及校准的影响，能够准确测量光源的光谱和功率。通过光功率计和光纤光谱仪分别测量光源的功率和波长，再通过专业的软件输出测量结果。针对一些特殊的应用需求，还可通过增加衰减方式进行衰减。此外，该系统的校准可溯源至国家权威技术研究院（NIST），进一步保证了测量的准确性和可靠性。

同时，景颐光电还提供了各种可选的球体配件，如用于光功率测量、透射率测量、反射率测量等，以增强积分球的实用性，满足不同用户在不同领域的多样化测量需求。

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