一、光电式光功率计相关原理

 

光电二极管	波长范围(nm)
硅(Si)	400-1100
锗(Ge)	800-1700
铟镓砷(InGaAs)

光电式光功率计通常由探头和表头组成，其中光功率计探头关键器件是光电二极管，基于光电效应直接将光能转换为电流或者电压信号，以表征激光功率的大小。所谓光电效应，就是物质的内部电子在光子作用下发生状态改变。光电效应一般可分为外光电效应和内光电效应，外光电效应是指光电子在光子的激励下，可以从物质内部逸出的现象。内光电效应又可分为光电导效应、光伏效应和光磁效应，而对光功率计而言，一般只用到光电导效应和光伏效应。

 

光电二极管的核心部分是半导体PN结，当能量足够的光子入射到PN结上时，会激发电子，从而产生电流。光电导效应是指在外电场作用下，通过吸收光子能量而成为自由态的电子在半导体内形成电流，从而使半导体的电导增大。在这种模式下，需给光电探测器加反向偏置电压，存在暗电流，由此会产生较大的噪声电流，有非线型性。反向电流的大小取决于入射光功率，反向偏压会显著减少光电二极管对入射光子的响应时间，通常应用在高速场合。光伏效应是半导体材料的“结”效应，也就是说，当入射光激发出电子-空穴对时，内部电势垒将把电子-空穴对分开，从而在势垒两侧形成电荷堆积，形成光生电势。在这种模式下，光电探测器处于零偏置状态，不存在暗电流，具有较低的噪声，线性度好，适合于比较精确的测量。

 

 

 

功率测量应用中，光电二极管探头常在光伏模式下工作，在这种情况下，它的阳极和阴极与跨阻放大器的输入端相连，放大器可将光电流转化为电压。为表征光功率信号与电流信号的关系，引入了光谱响应度的概念，光电二极管的响应度是传导电流与入射光功率之比，通常以“A/W”为单位。光谱响应度反映光电二极管将光信号转换为电信号的能力，响应度与制造光电二极管的材料以及入射光的波长紧密相关。随着使用时间变长，光电二极管的响应度会由于老化而发生改变。光电二极管基于光电效应，因此具有响应时间快、灵敏度高、易饱和、小功率、波长受限等特点。

 

 

 

 

二、连续激光与脉冲激光的区别

 

连续激光器提供稳定的光发射，而脉冲激光器发射出按时间间隔排列的光脉冲。

 

        

图1 连续激光与脉冲激光

 

三、常见术语

 

 

1、脉冲周期(Pulse Period)

 

脉冲周期T是指一个脉冲开始到下一个脉冲开始的间隔时间，单位为秒(s)。

 

2、重频(Repetition Rate)

 

重频f是指发射脉冲的频率，单位为赫兹(Hz)。

$f=\frac{1}{T}$

 

3、脉冲能量(Pulse Energy)

 

脉冲能量E是指激光在一个周期内发射的光，单位为焦耳(J)。

 

4、平均功率(Average Power)

 

平均功率Pavg是指脉冲能量在整个周期内均匀分布的光功率轴的坐标高度，单位为瓦特(W)。

$P_{avg}=\frac{E}{T}=E·f$

 

5、脉宽(Pulse Width，脉冲持续时间)

 

脉宽t是指脉冲开始到结束所用的时间，一般用脉冲形状的半高宽表示，单位为秒(s)。

 

6、峰值功率(Peak Pulse)

 

峰值功率Ppeak是指激光的最高瞬时光功率，单位为瓦特(W)。

$P_{peak}\approx \frac{E}{t}$

 

7、占空比(Duty Cycle)

 

占空比D是指激光脉冲发射持续时间所占的比例。

$D=\frac{t}{T}=t·f$

 

峰值功率与平均功率的关系为

$P_{peak}=\frac{P_{avg}}{f·t}=\frac{P_{avg}T}{t}=\frac{P_{avg}}{t/T}=\frac{P_{avg}}{D}$

 

8、瞬时功率(Instantaneous Power)

 

瞬时功率P是指某个特定时间点的光功率，单位为瓦特(W)。

 

假设为圆形光束形状，光束直径为R ，面积S为

$S=\pi {\left(\frac{R}{2}\right)}^2=\frac{\pi R^2}{4}$

9、脉冲能量密度(Pulse Energy Density)

 

脉冲能量密度Øe是指光束每单位面积的能量。

${\Phi }_e=\frac{E}{S}=\frac{4E}{\pi R^2}=\frac{4P_{avg}}{\pi R^{2}f}=\frac{4P_{peak}t}{\pi R^2}$

 

10、平均功率密度(Average Power Density)

 

平均功率密度Øavg是指光束每单位面积的平均功率。

${\Phi }_{avg}=\frac{P_{avg}}{S}=\frac{4P_{avg}}{\pi R^2}=\frac{4P_{peak}ft}{\pi R^2}=\frac{4Ef}{\pi R^2}$

 

11、峰值功率密度(Peak Power Density)

 

峰值功率密度Øpeak是指光束每单位面积的峰值功率。

${\Phi }_{peak}=\frac{P_{peak}}{S}=\frac{4P_{peak}}{\pi R^2}=\frac{4P_{avg}}{\pi R^{2}ft}=\frac{4E}{\pi R^{2}t}$