Датчики измерения энергии
Большинство датчиков не обеспечивают полностью однородный отклик по всей своей активной области (за исключением интегрирующих сферических датчиков, которые включают эту функцию как часть своей конструкции). Таким образом, чтобы преодолеть эти проблемы с однородностью, падающий пучок должен иметь диаметр, который заполняет не менее 10% активной области датчика. Однако также важно не переполнять датчик (т.е. размер пучка в плоскости активной области датчика не должен превышать размер активной области). Для пучков большой мощности или высокой энергии рекомендуется выбирать размер детектора, который примерно на 20–30% больше диаметра пучка.
Размер пучка также влияет на то, соответствует ли источник максимально допустимой мощности и плотности энергии для датчика. Эти максимальные значения включены в спецификации для каждого датчика. Если пучок не имеет плоского пространственного распределения интенсивности, максимальная мощность или спецификация плотности энергии не должны превышаться в самой яркой области пучка. Например, пучок с гауссовым распределением интенсивности не должен иметь плотность мощности (энергии) в центре пучка, которая превышает спецификацию плотности мощности (энергии).
Ширина линии источников излучения
При использовании теплового или пироэлектрического датчика шириной линии источников излучения можно пренебречь. Однако для фотодиодных датчиков генерируемый ток сильно зависит от рабочей длины волны. Если источник излучения имеет ширину линии более 10 нм (например, светодиод), измеритель мощности может отображать неверные показания мощности.
Чтобы достичь разумного измерения мощности для широкополосных источников излучения при использовании фотодиодного датчика, кривая отклика детектора должна быть почти линейной по ширине линии источника. Если рабочая длина волны установлена на измерителе мощности как центральная длина волны источника излучения, измеренная выходная оптическая мощность будет приблизительно правильной, если спектр источника излучения симметричен относительно центральной длины волны.
Обратное отражение
Поверхности фотодиодов, фильтров нейтральной плотности (ND) и даже черные покрытия термодатчиков вызывают некоторое обратное отражение входящего излучения. Если это обратное отражение попадает в апертуру таких устройств, как лазерный диод или гелий-неоновый лазер, это может повлиять на стабильность мощности лазера. Рекомендуется слегка наклонить датчик измерителя мощности по отношению к лазерному пучку, чтобы любое обратное отражение не попало в выходную апертуру лазера. Если необходимо полностью избежать обратных отражений, рекомендуется использовать один из интегрирующих сферических датчиков компании Throlabs, поскольку входящее излучение почти полностью поглощается внутри датчика.
Паразитное излучение
Паразитное излучение может сильно повлиять на точность измерений в приложениях с открытым пространством. Постоянный уровень фоновой освещенности можно вычесть, сбросив нулевой уровень детектора. Измеритель мощности не может компенсировать изменение окружающего освещения, например дневного излучения или включения/выключения освещения в помещении. В этих случаях датчик должен быть должным образом экранирован от постороннего излучения. Thorlabs предлагает большой выбор светоизолирующих материалов, которые можно использовать для этого.
Температура окружающей среды
Все датчики мощности Thorlabs откалиброваны при комнатной температуре (23 ± 5 °C).
В большинстве случаев чувствительность фотодиодного датчика имеет незначительную зависимость от температуры по сравнению с общей точностью измерения ± 5%. Однако темновой ток чувствителен к температуре, что может мешать измерениям малых оптических мощностей. Для компенсации в этом случае рекомендуется правильная установка нуля.
Напротив, тепловые датчики будут реагировать на любую разницу температур, возникающую между тепловым диском и радиатором. Нарушения воздушного потока вокруг датчика или повышение температуры радиатора, что может произойти во время длительного воздействия лазерного излучения на тепловой диск, могут помешать точному измерению мощности. Чтобы свести к минимуму эти эффекты, датчик должен быть максимально защищен от воздушного потока. Датчик также должен быть обнулен в соответствии с условиями эксплуатации пользователя. Например, датчик холода можно обнулить для коротких измерений. Однако для длительных измерений датчику необходимо дать возможность достичь состояния теплового равновесия до обнуления (например, после ~10 минут воздействия излучения).
Снижение шума для высокоточных измерений
Шум от заземления, емкости кабеля, температурных эффектов, постороннего излучения, а также сам детектор могут влиять на точность измерений. Эти источники шума будут иметь большое влияние при попытке измерить малую оптическую мощность. Ниже приведены некоторые подсказки и рекомендации по минимизации воздействия шума:
- Датчики мощности должны быть заземлены непосредственно на землю (например, с помощью стойки), поскольку корпус соединен с цифровой землей измерителя;
- Датчики энергии должны быть установлены так, чтобы они были изолированы от земли, поскольку корпус подключен к аналоговой земле измерителя мощности;
- Полоса пропускания должна быть установлена на «Низкую» настройку для фотодиодных датчиков. Для термодатчиков цепь ускорения должна быть отключена;
- Для датчиков Si или InGaAs шум детектора является самым низким;
- Длительные измерения в условиях открытого пространства требуют постоянного окружающего освещения или экранирования светового пути от внешних источников излучения;
- Температура должна быть стабильной в течение всего времени измерения.
Измерения с помощью оптоволокна
Лазерное излучение выходит из наконечника оптического волокна конической формы с углом раскрытия, вдвое превышающим угол приема волокна. Угол приема волокна можно рассчитать следующим образом:
где NA – числовая апертура волокна, а n – показатель преломления (для воздуха n = 1).
Для типичных волокон общий угол (2θ) излучения составляет от 15° до 25°. Если используется угловой соединитель (APC), конус будет наклонен примерно на 4° от оси волокна.
Чтобы получить точное измерение, необходимо учитывать расширение пучка, которое идет от конца волокна к месту расположения детектора, чтобы избежать переполнения детектора. И наоборот, для мощных волоконных лазеров желательно поддерживать определенный размер зазора между концом волокна и поверхностью детектора для уменьшения плотности мощности.
Thorlabs предлагает оптоволоконные адаптеры с наиболее распространенными типами разъемов, которые совместимы с стандартными фотодиодными датчиками мощности, универсальным беспроводным измерителем мощности и большинством термодатчиков. Для измерения выходного сигнала волокон с большими углами расхождения или там, где критически важно избегать обратных отражений, рекомендуется использовать один из интегрирующих сферических датчиков компании.
Также Thorlabs предлагает сенсорные головки, специально разработанные для измерений на основе волокна. Эти сенсорные головки подключаются непосредственно к измерителю мощности и не имеют кабеля между датчиком и консолью, что сводит к минимуму помехи при измерениях.
Особые решения для датчиков энергии
Датчики энергии Thorlabs основаны на пироэлектрическом эффекте и имеют тепловую постоянную времени 20 мс. В результате измерения энергии ограничиваются максимальной частотой повторения от 30 до 40 Гц, когда датчик подключен к нагрузке 1 МОм.
|
|
|
Порты и адаптеры
Уровень срабатывания
Пироэлектрический датчик выдает импульс напряжения с пиковой амплитудой, пропорциональной энергии импульса. Когда консоль изм2 ерителя мощности работает в режиме детектора пиков, она показывает энергию каждого отдельного импульса. Уровень запуска может быть установлен в пределах от 0 до 99% от выбранного диапазона энергии и определяет нижний порог, при котором пиковый детектор распознает импульс, начинает запись данных и ждет, пока не будет достигнут пик. Следовательно, уровень запуска должен быть установлен выше уровня шума и ниже ожидаемой энергии. Полезный метод – подключить датчик, выбрать желаемый диапазон и увеличить уровень срабатывания до тех пор, пока консоль не перестанет непрерывно измерять мощность. Последнее измеренное значение остается отображенным (удержание пика в режиме измерения энергии).
Частота повторения
Частота следования импульсов не должна превышать максимальное значение, указанное для фактического типа датчика. В противном случае на измеренное значение будет влиять последующий импульс.
Увеличение максимальной частоты следования импульсов
Единственный способ увеличить максимальную измеряемую частоту следования – использовать датчик энергии с осциллографом и согласующим терминатором с сопротивлением 100 кОм.
Чтобы выполнить эту настройку с пироэлектрическими датчиками серии C от Thorlabs, сначала отсоедините разъем BNC от красного разъема D-sub, подключите разъем BNC через терминатор к высокоомному входу Y осциллографа. Чувствительность в Дж/В датчика энергии с нагрузкой 100 кОм можно найти в спецификации для каждого отдельного датчика, и ее можно использовать для расчета мощности по измеренному пиковому напряжению.
Длительность импульса
Датчики энергии могут обнаруживать и измерять импульсы длительностью от субнаносекундного диапазона до примерно 2 мс. Максимальная длительность импульса зависит от двух факторов:
- Электрическая постоянная времени датчика, определяемая емкостью датчика и сопротивлением нагрузки;
- Тепловая постоянная времени датчика.
Обычно тепловая постоянная времени имеет более значительное влияние.
Простой функциональный тест
Датчик энергии реагирует не только на оптические импульсы, падающие на поглотитель, но также и на механические импульсы. Эта функция может использоваться для быстрой проверки работоспособности пироэлектрического датчика.
Нужно отсоединить красный 9-контактный разъем D-sub и подключить кабель BNC датчика ко входу осциллографа. Для входа должно быть установлено значение «Связь по постоянному току» и «High-Z» (высокое входное сопротивление). Далее нужно выбрать подходящее разрешение по осям X и Y.
Нужно слегка постучать датчиком по поверхности стола. Если датчик исправен, на экране осциллографа должны отображаться импульсы. Если импульсов нет, то можно попробовать изменить настройку чувствительности Y и запуска. Если датчик по-прежнему не отвечает, то лучше обратиться к нашим специалистам.
Измерения мощности импульсных сигналов
Измеритель мощности может считывать среднюю мощность импульсного сигнала при следующих условиях:
Использование термодатчика
Пиковая мощность ниже порога повреждения датчика. Это верно независимо от длительности импульса и частоты повторения. Поскольку тепловые датчики реагируют очень медленно, они будут учитывать мощность, падающую на активную область.
Использование фотодиодного датчика
Фотодиодный датчик может различать короткие импульсы в наносекундном диапазоне. Следовательно, пиковая мощность импульса не должна превышать максимальный диапазон мощности датчика. Если пиковая мощность импульса превышает установленный диапазон мощности, показания будут обрезаться и давать неправильное среднее значение. Функция отображения Min-Max может быть полезна для определения подходящего диапазона мощности.
Настройка ширины полосы также влияет на показания мощности для определенных длин импульсов и частоты повторения. Используйте настройку полосы пропускания «LOW» для стабильного отображения и настройку «HIGH» для контроля импульса через аналоговый выход.
Максимальная и минимальная обнаруженная мощность – зеленая и желтая стрелки соответственно
Минимальная и максимальная обнаруженная мощность
Фемтосекундные лазеры
Частота следования фемтосекундных импульсов достигает нескольких сотен МГц, а длительность импульса порядка десятков фемтосекунд. Тепловые датчики обычно обеспечивают наилучшие результаты для измерения средней мощности, поскольку энергия импульсов обычно умеренная. Тем не менее, по-прежнему важно убедиться, что источник не превышает максимальные значения для выбранного датчика.
Устранение неполадок с источниками непрерывного излучения
Правильная установка длины волны
Важно убедиться, что длина волны, введенная на консоли, соответствует длине волны падающего излучения. Неправильная установка длины волны может вызвать большие неточности в показаниях мощности. Также нужно проверить точность, с которой известна длина волны используемого источника излучения.
Пример: датчик мощности S120C используется для измерения источника излучения с длиной волны 405 нм. Однако на самом деле источник излучения имеет длину волны 401 нм, что приводит к ошибке в измеренной мощности 15%.
Калибровка датчика
Чувствительность датчика со временем меняется. Фотодиодные датчики или датчики, используемые в УФ-диапазоне, особенно чувствительны к этому эффекту. Рекомендуется ежегодно калибровать датчики.
Рабочий диапазон мощности излучения
Технические характеристики датчика включены в лист спецификации. Важно не путать параметр «Разрешение» с минимальной измеряемой мощностью (разрешение – это минимальное обнаруживаемое изменение мощности, равное меньшей значащей цифре на дисплее консоли, когда консоль настроена на самый низкий диапазон измерения).
Пример: S120C имеет диапазон измерений оптической мощности от 50 нВт до 50 мВт и разрешение 1 нВт. Это означает, что минимальная измеряемая мощность составляет 50 нВт, а наименьшая значащая цифра на дисплее для этого диапазона измерения будет иметь значение 1 нВт.
Обнуление датчика
Фотодиодные датчики излучают ток низкого уровня, даже если на активную область не попадают фотоны, это называется темновым током датчика. Темновой ток, который зависит от температуры, обычно составляет порядка нескольких нА для датчиков Si и InGaAs и до нескольких мкА для датчиков Ge.
Датчики на термоэлементах необходимо обнулить, если между активной областью (тепловым диском) и радиатором датчика возникают разницы в температуре в темном состоянии (без падающего излучения на активную область) или в случае, если радиатор нагревается во время воздействия излучения. Напряжение, генерируемое термобатареей без излучения, падающего на активную область, будет отрицательным, если радиатор горячее, чем активная область, и положительным, если радиатор холоднее, чем активная область. Когда и радиатор, и детектор имеют комнатную температуру, типичное напряжение составляет несколько мкВ.
