Принцип работы измерителей и датчиков мощности
Консоли измерителей мощности Thorlabs способны распознавать тип подключенного к ним датчика, а также его реакцию. Измеряемый выходной сигнал зависит от типа датчика. Кроме того, консоли измерителя мощности Thorlabs способны отображать фототок или напряжение, подаваемое датчиком. Эквивалент измеренного значения также отображается на аналоговом выходе измерителя.
Фотодиодные датчики
Фотодиодные датчики вырабатывают ток, который зависит от оптической мощности и длины волны падающего излучения. Этот ток подается в трансимпедансный усилитель, который выдает напряжение, пропорциональное входному току. Индивидуальные данные калибровки фотодиода (чувствительность в зависимости от длины волны) сохраняются в EEPROM (электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ) в разъеме DB9 датчика. Поскольку чувствительность фотодиода зависит от длины волны, необходимо ввести фактическую длину волны, чтобы получить точное измерение. Консоль измерителя мощности определяет чувствительность к входной длине волны от подключенного датчика и вычисляет оптическую мощность на основе измеренного фототока.
Фотодиодные датчики
Термодатчики
Термодатчики выдают напряжение, пропорциональное входной оптической мощности. Индивидуальная чувствительность датчика сохраняется в его EEPROM и считывается консолью. На основе измеренного выходного напряжения датчика и его чувствительности консоль рассчитывает оптическую мощность, падающую на датчик.
Термодатчики
Датчики энергии
Датчики энергии основаны на пироэлектрическом эффекте. Следовательно, они обеспечивают пиковое напряжение, пропорциональное энергии импульса. Чувствительность отдельного датчика сохраняется в его EEPROM. Если датчик распознан, то консоль автоматически определяет пиковое напряжение и рассчитывает энергию импульса по чувствительности.
Датчики энергии
Принцип работы фотодиода
Фотодиод (ФД) – это полупроводник, работающий на основе p-n перехода. Когда фотоны с достаточной энергией попадают в p-n-переход, они возбуждают электроны, в результате чего в переходе возникает ток. Фотодиоды могут работать в фотоэлектрическом или фотопроводящем режиме. В фотоэлектрическом режиме анод и катод подключены к нагрузке, поэтому фотодиод выдает ток. В фотопроводящем режиме фотодиод смещен в обратном направлении, и обратный ток зависит от падающей оптической мощности. Обратное смещение значительно сокращает время реакции на падающие фотоны. Следовательно, режим фотопроводимости используется в высокоскоростных фотоприемниках. Однако температурная зависимость тока частичных разрядов является обратной стороной режима фотопроводимости.
В приложениях измерения мощности фотодиодные датчики используются в фотоэлектрическом режиме. Анод и катод подключены ко входу трансимпедансного усилителя, который преобразует фототок в напряжение. Фотодиод может передавать фототок до нескольких мА. Чувствительность фотодиода – это отношение подаваемого тока к падающей оптической мощности и обычно выражается в А/Вт. Эта чувствительность в значительной степени зависит от материала, из которого изготовлен фотодиод, а также от длины волны падающей оптической мощности. Максимальный выходной ток фотодиода ограничен линейной частью характеристической кривой IPD = f(Poptical) или, другими словами, насыщением.
Чтобы увеличить максимальную измеряемую мощность до десятков милливатт, перед фотодиодом помещают аттенюатор. Обычно этот аттенюатор представляет собой фильтр нейтральной плотности (ND). Как и чувствительность, оптическая плотность фильтра нейтральной плотности также зависит от длины волны. Со временем чувствительность фотодиода изменяется в результате старения. Для очень малых диаметров пучка изменения в однородности фотодиодного датчика могут привести к несоответствию выходного тока. Если активная область датчика частичного разряда переполнена, это может привести к неверным показаниям.
Характеристики фотодиодов:
|
Фотодиод |
Диапазон длин волн |
Макс. мощностьb |
|
Si - UVa |
200 - 1000 нм |
3 - 5 мВт |
|
Si |
400 - 1100 нм |
|
|
Ge |
700 - 1800 нм |
|
|
InGaAs |
800 - 1700 нм |
Примечания:
а. УФ-усиление;
б. Измеряемая мощность.
Фотодиод
Принцип работы интегрирующей сферы
Внутренняя поверхность интегрирующей сферы имеет высокий коэффициент отражения в широком диапазоне длин волн. Она изготовлена из материала с высокой отражающей способностью на основе ПТФЭ и устойчива к теплу, влажности и высоким уровням излучения.
Входящий световой пучок диффузно отражается от внутренней поверхности сферы, что создает равномерное распределение интенсивности по всей поверхности. Фотодиод утоплен внутри порта детектора, чтобы избежать попадания паразитного излучения. Следовательно, ослабление излучения, регистрируемого фотодиодом, пропорционально активной площади детектора, деленной на площадь поверхности сферы. Если dPD – это диаметр активной области детектора, а dIS – это внутренний диаметр интегрирующей сферы, то затухание можно записать как:
Интегрирующая сфера
Принцип работы датчика тепловой мощности
Датчики тепловой мощности включают в себя термопары и используют принципы, изложенные в термоэлектрическом эффекте (он же эффект Зеебека), который гласит, что любой проводник, подверженный тепловому градиенту, генерирует напряжение. Следовательно, если существует разница температур между двумя поверхностями, градиент температуры будет создавать разность напряжений между этими двумя поверхностями. Этот процесс можно рассматривать как инверсию эффекта Пельтье.
В датчике тепловой мощности мощность падающего лазерного пучка поглощается падающей поверхностью термопары и преобразуется в тепло. Другая поверхность термопары остается холодной, так как она термически связана с радиатором датчика. Температурный градиент между двумя поверхностями зависит от падающей оптической мощности. Следовательно, генерируемое напряжение между горячей и холодной поверхностями пропорционально падающей мощности.
Преобразование оптической мощности в измеряемое напряжение зависит от способности поверхности датчика поглощать оптическую мощность и преобразовывать ее в тепло. Для увеличения поглощения чувствительная поверхность имеет покрытие. Предпочтительно покрытие должно быть независимым от длины волны (т.е. эффективность поглощения не зависит от длины волны) и должно иметь высокий порог повреждения (т.е. способность выдерживать высокие плотности оптической мощности).
Зависимость от длины волны в термодатчике
Сама термопара нечувствительна к длине волны лазера – она только преобразует тепло в напряжение. Однако поглощающее покрытие имеет зависимость от длины волны, поскольку поверхность покрытия отражает небольшую часть падающего излучения, а коэффициент отражения незначительно зависит от длины волны. Поскольку покрытие непрозрачно, оно не пропускает излучение и, в очень хорошем приближении, эффективность процесса преобразования зависит исключительно от коэффициентов отражения (R) и поглощения (A) с уравнением R + A = 1 или A = 1 - R. Следовательно, оптическая плотность как функция длины волны может быть рассчитана путем измерения отражательной способности в определенном диапазоне длин волн.
Термодатчик
Принцип работы пироэлектрического датчика
Пироэлектрические датчики можно отнести к тепловым датчикам. Они позволяют напрямую преобразовывать импульс энергии в импульс напряжения независимо от длины волны падающего излучения. Эти детекторы построены на коаксиальной основе и поэтому чрезвычайно нечувствительны к помехам от электромагнитного излучения от таких источников, как импульсный газовый лазер.
Каждый детектор покрыт черным абсорбирующим слоем, обеспечивающим почти постоянное поглощение в диапазоне от 185 нм до 25 мкм. Особенно выгодна сравнительно высокая чувствительность этих детекторов. Без дополнительного усилителя эти датчики позволяют измерять лазерные импульсы в диапазоне мкДж из-за их нечувствительности к помехам.
Максимальная частота следования импульсов зависит от внутренней емкости детектора, а также от резистора нагрузки. Все детекторы могут быть напрямую подключены через разъемы BNC к входу 1 МОм осциллографа. Небольшой резистор (включая резисторы 100 кОм) можно использовать для получения максимальной частоты следования импульсов, что позволяет измерять частоту следования до 100 Гц. Также указывается соответствующая чувствительность датчиков.
Пироэлектрический датчик
