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如何選取激光功率計(jì)和能量計(jì)?

作者: 時(shí)間:2013-02-16 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
激光功率和主要用來測量光源的輸出。無論光發(fā)射是來源于弱光源(如熒光),還是來源于高能量的脈沖激光器,功率和都是實(shí)驗(yàn)室、生產(chǎn)部門或是工作現(xiàn)場等多種應(yīng)用環(huán)境中必不可少的工具。

雖然功率計(jì)和是分別提供的,但隨著能夠適用大量不同類型的光學(xué)傳感器的通用型儀表盤或顯示裝置的發(fā)展,它們也被合起來稱作單獨(dú)的一類儀器——功率和能量計(jì),或PEM。儀器所采用的光學(xué)傳感器的類型,決定了其能測量光功率還是光能量,通常單位分別瓦特(W)或焦耳(J)。具體來講,功率計(jì)能夠測量連續(xù)波(CW)或者重復(fù)脈沖光源,其所使用的傳感器通常是熱電堆或光電二極管。能量計(jì)則通常用于測量脈沖激光,即單脈沖或者重復(fù)脈沖光源,其所使用的傳感器包括熱釋電、熱電堆,或者帶有專門為測量脈沖光源而設(shè)計(jì)的電路的光電二極管。

系統(tǒng)配置

一些制造商將功率或能量計(jì)分為具有控制和示值讀數(shù)功能的測量部分(或儀表盤)和傳感器部分(也稱為探測器或探頭),兩者結(jié)合在一起就組成一套“測量系統(tǒng)”。另一些廠商將這兩者統(tǒng)稱為測量儀。無論哪種分類方式,傳感器都存儲(chǔ)有校準(zhǔn)信息,儀表盤則測量傳感器的輸出電流,并參考校準(zhǔn)表來輸出數(shù)據(jù)。

在某些配置中,儀表盤會(huì)作為探測器與用戶之間的接口,通過RS-232或者USB連接方式直接向電腦傳輸測量數(shù)據(jù),在這種情況下,顯示裝置就不再是必需的了。測量數(shù)據(jù)可能包括功率、差值、總和、線性、對(duì)數(shù)值和幾個(gè)通道同時(shí)衰減的曲線。大部分PEM儀表盤是數(shù)字式的,但是對(duì)于功率只有小幅波動(dòng)的應(yīng)用而言,模擬式測試儀就足以勝任了。

傳感器的選擇比較復(fù)雜。目前市場上應(yīng)用的三種主要傳感器類型有:光電二極管、熱傳感器和熱釋電傳感器。光電二極管傳感器由光電二極管和ND)濾光片組成,以確保入射到探測器上的功率能夠保證傳感器線性工作,其中光電二極管通常選用硅(Si)、鍺(Ge)或銦砷化鎵等材料,每種光電二極管具有不同的峰值波長和響應(yīng)范圍。每個(gè)光電二極管在不同的波長處具有不同的響應(yīng)度。響應(yīng)度的單位是A/W,代表了傳感器將入射光轉(zhuǎn)換為電流的效率。具有快速響應(yīng)時(shí)間的傳感器對(duì)波長敏感,因此最適用于測量低功率激光。

熱傳感器通過將入射光轉(zhuǎn)換成熱能來測量功率或能量。熱傳感器在186nm~10.6μm的波長范圍內(nèi)具有平坦的光譜響應(yīng),因此其適用于多波長或者非單色光的測量。光電二極管也可以測量紫外(UV)到紅外(IR)波段的波長,但是其在不同波長處具有不同的響應(yīng)度,因此必須將激光波長輸入測量儀以獲得正確的讀數(shù)。在1800 nm或更長的波長處,熱探測器通常是唯一的選擇。熱傳感器可以承受高功率激光,但是如果功率變化范圍較大的話,則需要幾秒鐘才能達(dá)到平衡。由于不像光電二極管那樣靈敏,因此熱傳感器不適合用于低功率測量。

熱釋電傳感器通過將光脈沖能量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)來測量脈沖能量。熱釋電傳感器能響應(yīng)較寬的波長范圍,但是其響應(yīng)曲線不如熱傳感器那么平坦。熱釋電傳感器只能測量脈沖光源,并有最小帶寬要求以使傳感器能夠“看到”脈沖。

目前市場上的許多功率和能量計(jì)都兼容這三類傳感器(見圖1)。如果將通用型儀表盤和功率傳感器一起使用,這套裝置就是功率計(jì);如果將通用型儀表盤和能量傳感器一起使用,這套裝置就是能量計(jì)。

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圖 1:Thorlabs公司為自由空間和光纖應(yīng)用設(shè)計(jì)的PM100D功率計(jì),可以兼容超過25種不同的功率和能量傳感器。根據(jù)所選取的傳感器,其可測量的光功率范圍為100pW~250W,可測量的能量范圍為3μJ~15J。當(dāng)與新型超緊湊的S150C系列光纖傳感器一起使用時(shí),PM100D就變成了一款緊湊便攜的光纖功率計(jì),是現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用的理想選擇。

選擇何種傳感器?

這部分內(nèi)容將介紹哪些類型的傳感器可用于測量功率,哪些可用于測量能量,以及它們的測量范圍。用于測量功率的熱電堆探測器往往面積較大,具有較高的損傷閾值,功率測量范圍從毫瓦到千瓦?;诎雽?dǎo)體的光電二極管探測器不但體積較小,而且靈敏度高,功率測量范圍從皮瓦到毫瓦。

這三種類型的探測器都可用于測量能量。熱電堆探測器是毫秒(ms)量級(jí)單脈沖測量、或者每個(gè)脈沖能量達(dá)幾焦耳的高能量光束測量的理想選擇。熱釋電探測器最適合短脈沖(脈寬從fs到ms)和寬能量范圍(從50nJ到焦耳量級(jí))的測量。光電探測器則適合測量低能量(從fJ到mJ量級(jí))的短脈沖(脈寬從fs到ms)。每個(gè)探頭和儀器模塊的關(guān)鍵指標(biāo)的性能范圍有較大差異,用戶在選擇之前,最好要提前與產(chǎn)品專家了解具體情況。

光電二極管探測器可與積分球一起使用,以獲得對(duì)光源的均勻和準(zhǔn)確測量。Lasermet公司帶有積分球的光電二極管探頭,通常能夠測量的功率小至1μW;緊湊型探頭能夠測量的功率小至1nW,光束可以直接照射到這種光電二極管上(見圖2)。熱探頭通??梢詼y量的功率低至1mW。

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圖2:Lasermet公司的手持式ADM1000數(shù)字式測量儀,通過熱探頭和光電二極管探頭,能在較寬的波長范圍內(nèi)測量功率和能量,并可以選擇是否配備積分球。配備的加速電路可在700ns內(nèi)獲得最終讀數(shù)10%以內(nèi)的響應(yīng)度。ADM1000可用于測量、顯示高達(dá)400kHz的脈沖波形。


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