光電二極管探頭
光電二極管探頭會根據(jù)接收到的光功率和入射光的波長傳輸電流信號。該電流將會輸入一個互阻放大器中，互阻放大器輸出的電壓是與輸入的電流成正比的。由于光電二極管的響應(yīng)率是與光波長相關(guān)的，所以實際探測的光波長應(yīng)在其中心工作波長附近才可以實現(xiàn)精確測量。功率計表頭通過與之相連接的探頭可以確定在特定輸入波長下的響應(yīng)率，并能夠根據(jù)測得的光電流計算出光功率。
光電二極管探頭的工作原理
一個光電二極管（PD）實際上就是一個半導(dǎo)體p-n結(jié)。當(dāng)能量足夠的光子入射到p-n結(jié)上時，p-n結(jié)將會發(fā)射電子，從而在其中產(chǎn)生電流。光電二極管可以在光伏模式或光導(dǎo)模式下工作。在光伏模式下，光電二極管的陽極和陰極與一個負(fù)載電路相連接，這樣一來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。反向偏壓將會大幅度減小光電二極管對入射光子的響應(yīng)時間。因此，光導(dǎo)模式常用于高速光電探測器。但是，在光導(dǎo)模式下，PD電流對溫度的依賴性卻是一個明顯的缺點。
在功率測量應(yīng)用中，光電二極管探頭工作于光伏模式下。這時，光電二極管的陽極和陰極與一個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。一個光電二極管至大可以傳導(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相關(guān)。光電二極管的max輸出電流被限制在IPD = f （Poptical）特征曲線的線性部分，換言之，受到飽和效應(yīng)的限制。
如果需要將可測光功率值擴大到幾十毫瓦時，可以在光電二極管之前放置一片衰減片來增大可測量的光功率。通常情況下可以采用一片中性密度（ND）濾光片。與響應(yīng)度相類似，一片ND濾光片的光密度也是與波長相關(guān)的。隨著時間的增長，光電二極管的響應(yīng)率會由于老化而發(fā)生改變。對于直徑很小的光束，如果入射位置不同，光電二極管探頭的均勻性差異會導(dǎo)致輸出電流的不同。如果光束直徑超過了PD探頭的有效區(qū)，可能會導(dǎo)致錯誤的數(shù)據(jù)測量。
積分球探頭的工作原理
積分球的內(nèi)表面在較寬波長范圍上具有高反射率。它是由基于PTFE的高反射性塊狀材料制成的，能夠抵抗熱、濕度和較強級別的輻射。
入射光束從積分球的內(nèi)表面漫反射，在整個球體表面產(chǎn)生了強度均勻的分布。光電二極管凹陷在探測器端口內(nèi)，以避免意外曝光。因此，由光電二極管檢測的光的衰減與探測器的有效面積除以球體表面積的值成比例。如果dPD 是探測器的有效面積的直徑，且dIS是積分球的內(nèi)徑，那么衰減可用公式表示為：
熱敏探頭可以傳遞與輸入光功率成正比的電壓。每個探頭的響應(yīng)率數(shù)據(jù)都保存在其EEPROM中，可以通過表頭讀取?；跍y得的探頭輸出電壓及其響應(yīng)率，表頭可以將入射到探頭上的光功率值計算出來。
熱敏探頭包含了若干個熱電偶，采用的是熱電效應(yīng)（亦稱為塞貝克效應(yīng)）工作原理，即任意導(dǎo)體在熱梯度中都會產(chǎn)生一定的電壓。因此，如果在兩個界面之間存在一個溫度差異，在兩個界面之間將會產(chǎn)生一個電勢差。該過程可以看做是珀爾帖效應(yīng)的逆過程。
在一個熱敏探頭中，入射激光光束的能量會被熱勢電偶的入射表面吸收，并轉(zhuǎn)化為熱量。熱電偶的其它表面由于與探頭中的散熱器相接觸，仍然會保持相對低溫狀態(tài)。兩個表面之間的溫度梯度大小取決于入射光的功率。因此，冷、熱表面之間產(chǎn)生的電壓是與入射光功率成正比的。
熱敏探頭將光功率轉(zhuǎn)化為電壓的能力取決于探頭表面吸收光功率并將其轉(zhuǎn)化為熱量的能力。為了增強表面吸收，探測表面會鍍上一層膜。為了達(dá)到更好的效果，該膜層應(yīng)與波長相關(guān)（即，吸收效率取決于入射波長），并具有較高的損傷閾值（即，具有承受較高光功率密度的能力）。
熱電偶自身是對激光波長不敏感的—它只將熱轉(zhuǎn)化為電壓。但是，由于其附帶的吸收膜層會反射一小部分入射光，并且反射過程稍與波長有關(guān)，因此它才表現(xiàn)出對波長的依賴性。由于熱敏探頭所采用的鍍膜并不是透明的，故不會讓入射光從中透射，同時，在理想情況下，轉(zhuǎn)化過程的效率僅與反射（R）和吸收（A）因子有關(guān)，它們滿足R +A = 1或A = 1- R。 因此，吸收率與波長的函數(shù)關(guān)系可以通過測量某個特定波長范圍內(nèi)的反射率進(jìn)行計算。
能量探頭是基于熱釋電效應(yīng)設(shè)計的。因此，它們可以傳遞與脈沖能量成正比的峰值電壓。如果表頭識別了一個熱釋電探頭，它會自動地探測峰值電壓，并根據(jù)響應(yīng)率計算出脈沖能量。
熱釋電探頭可以歸類于熱探測器。它們可以直接將能量脈沖轉(zhuǎn)化為電壓脈沖，并且不會受到入射光波長的影響。這些探測器的組成材料具有共軸性，因此對諸如脈沖氣體激光器等光源的電磁輻射的干擾并不敏感。
每個探測器都鍍有一層黑色吸收層，可以在185納米至25微米的波長范圍內(nèi)具有近乎常數(shù)的吸收率。這些探測器具有相當(dāng)高的靈敏度，在實際應(yīng)用中特別有優(yōu)勢。這些探頭不需要額外的放大器，由于它們對干擾并不敏感，所以能夠測量微焦量級的激光脈沖。
max脈沖重復(fù)率取決于探頭的內(nèi)部電容和負(fù)載電阻。所有探頭都可以用BNC插頭直接與一個示波器的1兆歐輸入相連接。一個小負(fù)載電阻（附帶100千歐電阻）可以用于獲得至高脈沖重復(fù)率，使其能夠測量至高為100Hz重復(fù)率的光源。這些探頭的響應(yīng)靈敏度也對應(yīng)地進(jìn)行了標(biāo)定。
所有熱釋電探頭均具有20 ms的熱敏時間常數(shù)，τ。該值表示探頭探測單束脈沖后需要的恢復(fù)時間。為了探測到正確的能量等級，脈沖光必須比0.1τ短，并且您的光源的重復(fù)率必須低于1/τ。
光電二極管探頭: 這些探頭設(shè)計用于單色光源或近單色光源的功率測量，因為它們具有波長相關(guān)響應(yīng)。這些探頭根據(jù)輸入光功率和波長輸出電流。電流輸入到跨阻放大器中，該放大器輸出一個正比于輸入電流的電壓。
熱功率探頭:這些熱電堆探頭由在超寬波長范圍內(nèi)光譜響應(yīng)相對平坦的材料制成，它們適用于寬帶光源( 例如LED和SLD)的功率測量。熱功率探頭的輸出電壓與輸入光功率成正比。
熱釋電能量計探頭: 我們的熱釋電探頭通過熱釋電效應(yīng)產(chǎn)生一個輸出電壓，適合測量脈沖光源，重復(fù)率被探測器的時間常數(shù)限制。這些探頭輸出與輸入脈沖能量成正比的峰值電壓。
表頭將根據(jù)用戶輸入的波長來讀出響應(yīng)值并計算功率或者能力度數(shù)。
光電二極管探頭根據(jù)輸入的光功率和波長輸出電流。電流流入互阻抗放大器內(nèi)，然后輸出一個與電流成比例的電壓。光電二極管的響應(yīng)率取決于波長，所以要得到精確的功率示數(shù)必須輸入正確的波長。表頭根據(jù)這個波長從探頭讀取響應(yīng)度并根據(jù)光電流計算光功率。
熱敏探頭的輸出電壓正比于輸入光功率。根據(jù)測量的探頭輸出電壓和探頭的響應(yīng)度，表頭將計算出入射光功率。
能量探頭基于熱電效應(yīng)。它們輸出的電壓峰值與脈沖能量成正比。如果識別了能量探頭，表頭將使用一個峰值電壓探測器并根據(jù)探頭的響應(yīng)度計算脈沖能量。
大多數(shù)探頭在其有效區(qū)域上無法提供完全均勻的響應(yīng)（積分球探頭除外，因為它將這個特性整合到了設(shè)計的一部分中）。因此，為了克服這些不均勻問題，入射光應(yīng)具有填充探頭有效區(qū)域的至少10%的直徑。然而，同樣重要的是不要過滿照射探頭（即，傳感器有效區(qū)域平面內(nèi)的光束尺寸必須不能超過有效區(qū)域的大?。?。對于高功率或高能量的光束，建議選擇比光束直徑大約20%至30%的探測器尺寸。
光束尺寸會影響一個光源是否在探頭的max允許功率和能力密度規(guī)格的范圍內(nèi)。這些max額定值附帶在每個探頭的規(guī)格中。請注意，如果您的光束不具有平坦的空間強度分布，那么max功率或能量密度規(guī)格在光束的亮區(qū)域中必須不能被超過。例如，具有高斯強度分布的光束在光束中央不應(yīng)具有超過功率（能量）密度規(guī)格的功率（能量）密度。
使用熱探頭或熱釋電探頭時，可以忽略光源的線寬。然而，對于光電二極管探頭，產(chǎn)生的電流非常依賴于工作波長。如果光源的線寬大于10 nm (例如，LED)，那么功率計可能顯示不正確的功率讀數(shù)。
使用光電二極管探頭時，為了對于寬帶光源實現(xiàn)合理的功率測量，探測器的響應(yīng)曲線必須在光源的線寬范圍上接近線性。如果功率計上的工作波長設(shè)定為光源的中心波長，那么在光源的波長關(guān)于中心波長對稱時測量的光學(xué)輸出功率將近似正確。
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，它可能會影響激光器的功率穩(wěn)定性。我們建議相對于激光束略微傾斜功率計探頭，使得任何背向反射都不會進(jìn)入激光器的輸出孔徑中。如果必需完全避免背向反射，我們建議使用我們的積分球探頭，因為入射光幾乎完全可以在探頭內(nèi)被吸收。
環(huán)境光或雜散光可以強烈影響自由空間應(yīng)用中的測量精確性。通過重置探測器的零電平來減去恒定背景光。功率計無法補償變化的環(huán)境光，比如日光或室內(nèi)光的開/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。
功率計一般都在室溫下校準(zhǔn)（23 ± 5 °C）。
在大多數(shù)情況下，光電二極管探頭的響應(yīng)度對比于整體測量精度會有±5%的可忽略的溫度相關(guān)性。然而，暗電流對于溫度很敏感，它可以干擾較低光功率的測量。這種情況下，建議進(jìn)行適當(dāng)調(diào)零。
相比之下，熱探頭會對發(fā)生在感熱盤與散熱器之間的任何溫度差有響應(yīng)。探頭周圍氣流上的干擾或者散熱器溫度的增加（將感熱盤長期暴露到激光束的過程中可能會發(fā)生這種情況）都可能對精確的功率測量造成干擾。為了將這些效應(yīng)降到min，探頭應(yīng)該盡可能屏蔽氣流。探頭應(yīng)該針對用戶的操作條件來適當(dāng)調(diào)零。例如，冷探頭可以針對短時間測量進(jìn)行調(diào)零。然而，對于長時間測量，應(yīng)該允許探頭在調(diào)零之前達(dá)到某一熱平衡狀態(tài)（例如，在曝光約10分鐘后）。
來自接地、線纜電容、溫度效應(yīng)、雜散光和環(huán)境光，以及探測器的噪聲都可能干擾測量的精度。測量較低的光學(xué)功率時，這些噪聲源會造成更大的影響。下面是將噪聲效應(yīng)降到min的一些提示和建議：
功率探頭應(yīng)該直接接地(例如，通過安裝接桿)，因為外殼連接到功率計的數(shù)字接地端。
能量探頭應(yīng)該安裝成它們從接地端隔離，因為外殼連接到功率計的模擬接地端。
因為探頭線纜可以傳導(dǎo)非常小的電流或電壓信號，并且移動線纜時，線纜的電容會引起干擾，對于非常小的功率或能量測量，線纜應(yīng)該處于固定位置。
對于光電二極管探頭，帶寬應(yīng)設(shè)定為"低"。對于熱探頭，應(yīng)該關(guān)閉加速電路。
自由空間應(yīng)用中的長期測量需要恒定的環(huán)境光條件，或遮蔽來自外部光源的光路。
溫度應(yīng)該在測量期間保持穩(wěn)定。
激光從光纖頭以圓錐形發(fā)射，開口角是光纖接受角的兩倍。光纖接受角可以通過下式計算：
其中NA是光纖的數(shù)值孔徑，n是折射率(對于空氣，n=1)。
對于典型的光纖，所發(fā)射的光的總角度(2Θ)在15°與25°之間。如果使用一個有角度的接頭，那么圓錐形將從光纖軸傾斜約4°。
為了獲得精確的測量結(jié)果，必須考慮從光纖頭到探測器位置所發(fā)生的光束擴張，以避免過度照射探測器。相反，要使高功率光纖激光器減小它的功率密度，光纖頭與探測器表面之間維持某一尺寸間隙。
對于測量具有較大發(fā)散角的光纖輸出，或者必須避免背向反射的應(yīng)用，我們建議使用我們的積分球探頭。
基于光纖的測量而設(shè)計的探頭。這些探頭直接插到功率計中，在探頭與表頭之間沒有線纜，使測量的干擾降到min。
能量探頭基于熱釋電效應(yīng)，并具有20 ms的熱時間常數(shù)。結(jié)果是，當(dāng)探頭連接到1 MΩ的負(fù)載時，能量的測量限制在30 Hz至40 Hz的max重復(fù)率。下面概括了用于獲得精確能量測量的重要考慮因素。
熱釋電探頭提供峰值振幅與脈沖能量成比例的電壓脈沖。當(dāng)功率計表頭操作于峰值探測器模式時，它指示的是各個脈沖的能量。觸發(fā)電平可以設(shè)置在所選能量范圍的0%至99%之間，并且它定義峰值探測器識別脈沖，開始記錄數(shù)據(jù)并等待到達(dá)峰值的較低閾值。因而，觸發(fā)電平必須設(shè)定成高于噪聲水平，低于預(yù)期能量。一種有效的方式是連接探頭，選擇所需范圍，并增大觸發(fā)電平，直到表頭停止連續(xù)測量功率位置。請注意，最后的測量值保持顯示在表頭上（能量測量模式中的峰值保持）。
脈沖重復(fù)率必須不能超過對于實際探頭類型指定的最大值。否則，測量的值會受到后續(xù)的脈沖影響。
增大max可測量重復(fù)率的方式是將能量探頭與一個示波器（高電平-Z輸入）和一個100 kΩ終端電阻器一起使用（注意：我們通常在這種配置中為能量探頭提供一個校準(zhǔn)值。可用低電壓進(jìn)一步降低重復(fù)率，但是這將會減弱輸入到示波器的信號。各個探頭校準(zhǔn)數(shù)據(jù)表中沒有提供低電阻下探頭性能的數(shù)據(jù)。）
能量探頭可以探測和測量亞納秒范圍到約2 ms的持續(xù)時間的脈沖。max脈沖持續(xù)時間取決于兩個因素：
探頭的電氣時間常數(shù)，由探測器性能和負(fù)載電阻決定
能量探頭不僅對入射在吸收體上的光脈沖有響應(yīng)，而且對機械脈沖也有響應(yīng)。這個特性可用于快速檢查熱釋電探頭的可操作性。
松開紅色9個引腳的D-sub接頭，并將探頭的BNC線纜連到示波器輸入端。請確保該輸入設(shè)定成直流耦合，和“高電平-Z（High-Z）”。選擇適當(dāng)?shù)腦和Y分辨率。
將探頭輕輕敲擊桌面。如果探頭正常運作，在示波器屏幕上應(yīng)該會顯示脈沖。如果您看不到脈沖，試著更改Y靈敏度和觸發(fā)的設(shè)定。
峰值功率低于探頭的損傷閾值。無論脈沖長度和重復(fù)率是多少，這都成立。因為熱探頭反應(yīng)非常慢，它們會整合有效區(qū)域上的入射功率。
光電二極管探頭可以分辨納秒級范圍的短脈沖。因此，脈沖峰值功率不應(yīng)大于探頭的max功率范圍。如果脈沖峰值功率超過設(shè)定的功率范圍，讀數(shù)將會消減，并產(chǎn)生不正確的平均值。min-max顯示功能對于尋找適當(dāng)功率范圍很有用。
帶寬設(shè)定也會影響某些脈沖長度和重復(fù)率下的功率讀數(shù)。使用'低（LOW）'帶寬設(shè)定進(jìn)行穩(wěn)定顯示，用'高（HIGH）'帶寬設(shè)定通過模擬輸出監(jiān)測脈沖。
飛秒激光器的重復(fù)率多為幾百MHz，而脈沖持續(xù)時間是以幾十飛秒的數(shù)量級。熱探頭通常為測量平均功率提供較佳結(jié)果，因為脈沖的能量通常是適中的。然而，仍然重要的是核實光源不會超過所選探頭的max額定值。探頭規(guī)格的定義和用于計算脈沖特性的常見公式可查看定義標(biāo)簽。
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