激光功率和能量計(jì)主要用來測(cè)量光源的輸出。無(wú)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,功率和能量計(jì)都是實(shí)驗(yàn)室、生產(chǎn)部門或是工作現(xiàn)場(chǎng)等多種應(yīng)用環(huán)境中必不可少的工具。
雖然功率計(jì)和能量計(jì)是分別提供的,但隨著能夠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)。
功率計(jì)一般由熱電堆或光電二極管構(gòu)成,熱電堆用來測(cè)高功率,光電二極管用來測(cè)低功率。能量計(jì)由熱釋電材料構(gòu)成,熱釋電材料對(duì)脈沖信號(hào)有響應(yīng)。其中將激光功率轉(zhuǎn)換成熱量的膜層起著非常重要的作用,是激光功率或能量計(jì)的核心技術(shù)。
熱電堆功率計(jì)反應(yīng)時(shí)間都比較慢,由其原理決定的,熱電堆功率的響應(yīng)時(shí)間取決于激光在功率計(jì)表面被膜層吸收后,產(chǎn)生的熱量傳遞到功率計(jì)圓盤邊緣所需要的熱傳遞時(shí)間。測(cè)量功率越大,一般來說所需要的探測(cè)圓盤直徑越大,對(duì)較大的功率計(jì)探頭而言,熱傳遞所需要的時(shí)間都在秒量級(jí),所以超大功率計(jì)所需要的響應(yīng)時(shí)間也比較長(zhǎng)。當(dāng)然也有一些特殊設(shè)計(jì)的熱電偶結(jié)構(gòu),測(cè)量熱傳遞的方向和激光方向一致,把這個(gè)方向的熱電偶做的很薄,微米量級(jí),這樣大大降低了熱傳遞所需要的時(shí)間,可將功率計(jì)熱響應(yīng)時(shí)間下降到毫秒以下。
激光探頭是一個(gè)涂有熱電材料的吸收體,熱電材料吸收大部分的光能量并轉(zhuǎn)化成熱量,只有少部分反射。吸收與反射比例與材料的光譜響應(yīng)曲線有關(guān),吸收體的儲(chǔ)熱體和它的厚度決定了熱量傳輸?shù)教筋^的速度和反應(yīng)時(shí)間。探頭溫度變化,能夠產(chǎn)生電流,電流通過薄片環(huán)形電阻轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)傳輸出來。
功率計(jì)標(biāo)定的目的,是校準(zhǔn)自身測(cè)量精度,保證測(cè)量數(shù)值在功率計(jì)使用報(bào)告的誤差范圍內(nèi),從而保證功率計(jì)正常的使用精度。功率計(jì)標(biāo)定采用第三方功率計(jì)來測(cè)量,根據(jù)出廠標(biāo)定報(bào)告,采用不同的功率,在不損壞功率計(jì)的前提下,檢驗(yàn)功率計(jì)實(shí)際標(biāo)定的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。
功率測(cè)量,是考慮系統(tǒng)和隨機(jī)誤差基礎(chǔ)上,獲取功率真實(shí)值的一個(gè)過程,存在一定的功率不確定性。對(duì)于功率測(cè)量,存在兩種功率,一種是準(zhǔn)確度,即實(shí)測(cè)值與真實(shí)值之間的偏差;另一種是功率穩(wěn)定性,即反復(fù)同一條件測(cè)量的功率波動(dòng)范圍。
具體來講,功率計(jì)能夠測(cè)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(cè)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(cè)量脈沖光源而設(shè)計(jì)的電路的光電二極管。
光電二極管功率計(jì)原理:
光電二極管的核心部分是個(gè)PN結(jié),當(dāng)在PN結(jié)加上適當(dāng)反向電壓時(shí),由于缺乏載流子,PN結(jié)內(nèi)無(wú)電流通過。當(dāng)光子照射在PN結(jié)上時(shí),電子或空穴擺脫束縛,在PN結(jié)內(nèi)形成光生載流子,光生載流子在電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生漂移而形成電流,電流的大小和入射光的能量成比例。光電二極管是基于光電效應(yīng),響應(yīng)時(shí)間很快但也很容易電流飽和,只能測(cè)非常小的功率。
熱釋電能量計(jì)原理:
當(dāng)熱釋電晶體受熱時(shí),晶體就會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象,使晶體兩端產(chǎn)生極化電荷,在晶體的兩端鍍上金屬層,構(gòu)成了一個(gè)電容器。則在溫度梯度作用下,極化的電荷集結(jié)在電容器的兩端,產(chǎn)生電壓信號(hào)。電壓信號(hào)與探測(cè)器膜層吸收光轉(zhuǎn)化的熱量形成的溫度梯度成正比。熱釋電探頭不適合探測(cè)連續(xù)或長(zhǎng)脈寬的激光,因?yàn)殡娙萜鞯拇鎯?chǔ)的電荷容易飽和或者說電容器只對(duì)交流或脈沖信號(hào)有響應(yīng)。
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