光電二極管光學(xué)傳感器基礎(chǔ)知識

當(dāng)光子撞擊光電二極管材料時，它可能會產(chǎn)生電子空穴對，具體取決于器件的量子效率。量子效率取決于許多因素，但一般來說，如果光子的能量 E = h v大于器件的能隙，這些光子將在復(fù)合率高的表面附近被吸收，并且會對光電流有貢獻。量子效率決定了光電二極管光譜響應(yīng)的波長依賴性。硅和 InGaAs 等半導(dǎo)體材料具有不同的能隙；因此，它們在不同波長下表現(xiàn)出不同的量子效率，從而導(dǎo)致特定材料類型獨有的光譜響應(yīng)曲線。

吸收器

由于具有高靈敏度和低噪聲特性，半導(dǎo)體光電二極管非常適合測量微弱光。大多數(shù)光電二極管制造商專門設(shè)計用于光電導(dǎo)(反向偏置)或光伏(無偏置)模式的二極管，兩者各有優(yōu)缺點。

來自二極管的兩個主要噪聲源是約翰遜噪聲和散粒噪聲。在沒有光照射光電二極管表面的光伏模式下，光電二極管處于熱平衡狀態(tài)，產(chǎn)生稱為約翰遜電流噪聲的隨機熱噪聲，由下式給出

其中k是玻爾茲曼常數(shù)，T是開爾文溫度，B是檢測器/放大器的帶寬，R sh是光電二極管的分流電阻。從該等式還可以看出，需要具有高分流電阻的光電二極管來降低約翰遜噪聲。

散粒噪聲是由電流在二極管中流動產(chǎn)生的噪聲，由下式給出

其中q是電子電荷，I dark是暗電流，I photo是光電流。當(dāng)光電二極管用于光伏模式時，二極管兩端的電壓保持在零伏。因此，這幾乎完全消除了暗電流。因此，也消除了由暗電流貢獻的散粒噪聲。為了正確看待這些影響，如果檢測器像光電導(dǎo)模式一樣被偏置，暗電流將比無偏置檢測器的噪聲等效電流大大約三十倍。

光電二極管產(chǎn)生的光電流由功率計使用稱為跨阻抗放大器的運算放大器電路直接測量。通常，即使在室溫下，也可以進行低至亞皮安級的測量，并且具有良好的重現(xiàn)性。該規(guī)則的一個例外是當(dāng)光電二極管的分流電阻與鍺光電二極管(818-IR和918D-IR)一樣小時。由于其低分流電阻(典型值為 50 kΩ)，最多可以解析數(shù)十皮安。

熱電堆光學(xué)傳感器基礎(chǔ)知識

基本的激光高功率(>1 瓦)探測器本質(zhì)上是一個熱電堆。比較熟悉的熱電堆應(yīng)用，其實就是俗稱熱電冷卻器的地方來自，是當(dāng)施加電壓以冷卻熱電堆的一側(cè)及其所連接的任何東西時。然而，用于激光功率測量的熱電堆以相反的方式使用。即，溫度差用于產(chǎn)生電壓。材料的一側(cè)被激光加熱，另一側(cè)是散熱器。被該材料吸收的激光能量轉(zhuǎn)化為熱量。當(dāng)熱量流過熱電設(shè)備時，熱電設(shè)備會產(chǎn)生溫差。這種溫差導(dǎo)致熱電堆產(chǎn)生電壓。該電壓與溫差成正比，溫差與激光功率成正比。監(jiān)視器測量此電壓以提供以瓦特為單位的激光功率讀數(shù)。

吸收器

光吸收材料是探測器最重要的部件之一。這是因為它的屬性決定了探測器的大部分性能，尤其是它對脈沖損壞的抵抗力。這種材料吸收大部分來自激光的光能并將其轉(zhuǎn)化為熱能。根據(jù)材料和預(yù)期應(yīng)用的不同，反射的一小部分可以從總光功率的百分之幾到 50% 不等。材料的光譜吸收率響應(yīng)曲線顯示了多少。

體積吸收器

對于需要在小區(qū)域和短時間內(nèi)為單個波長提供極高功率和能量的應(yīng)用，體積吸收器是必要的。與直接在表面吸收能量的寬帶材料不同，能量在整個材料厚度中被吸收。根據(jù)波長，可以通過這種方式處理大于 3 J/cm 2的能量密度和大于 100,000 MW/cm 2的峰值功率密度。

圓盤熱電堆

激光功率測量中使用的熱電堆有兩種。一種是晶圓式熱電堆，另一種是圓盤式。當(dāng)大量平均功率被吸收并且必須流過包含熱電偶的小間隙時，溫度會變得足夠高以損壞熱電偶結(jié)點。那就是盤式熱電堆顯示其價值的時候。磁盤由兩組徑向布置的連接點組成。一組連接點排列在孔徑下方，而另一組連接點靠近圓盤的邊緣，圓盤連接到一個巨大的散熱器上。激光功率加熱中心的吸收器并在中心和邊緣之間產(chǎn)生溫差。熱電偶產(chǎn)生與該差異對應(yīng)的電壓，就像在晶圓熱電堆中一樣。主要區(qū)別在于熱量徑向流過磁盤，可以處理更多的平均功率，尤其是在吹氣或水冷的情況下。盤式熱電堆還具有更快的自然響應(yīng)時間

熱釋電探測器基礎(chǔ)知識

熱釋電探測器設(shè)計用于測量最大寬度為 5 至 400 μs的短光脈沖的能量，具體取決于探測器設(shè)計。這些探測器由具有永久偶極矩的鐵電晶體制成。當(dāng)受到光脈沖時，晶體被加熱并導(dǎo)致偶極矩發(fā)生變化。這個偶極矩的變化導(dǎo)致電流流動，在檢測頭中轉(zhuǎn)換為電壓，可以用光功率計或示波器測量。

如上圖所示，由此產(chǎn)生的熱脈沖相對于短光脈沖變寬了。在此熱脈沖期間，電流流過鐵電晶體，產(chǎn)生振幅增加的電壓。光功率計具有測量輸出電壓剛剛開始增加和輸出電壓達到其峰值振幅之間的電壓差的電路。然后將該電壓差乘以檢測器響應(yīng)度(以焦耳/伏特為單位)，得到以焦耳為單位的脈沖能量。

使用熱釋電時，必須注意不要超過最大脈沖寬度或最大重復(fù)率。如果超過這些規(guī)格中的任何一個，測量精度將由于檢測器的電氣帶寬限制而降低。

光電二極管光譜校準(zhǔn)

檢測器校準(zhǔn)使用雙單色器完成，以最大限度地減少雜散光學(xué)噪聲，尤其是在紫外線中。單色儀使用三個光柵和兩個光源來最大化 200 至 1800 nm 波長范圍內(nèi)的信噪比性能。在高達 310 nm 的紫外線范圍內(nèi)使用氘燈，然后在可見光和近紅外線范圍內(nèi)使用鎢燈。

光功率計基礎(chǔ)知識

雖然大多數(shù)人希望以 dBm 或瓦特為單位進行測量，但光功率計只能測量光電探測器產(chǎn)生的電流或電壓。

連接光電二極管時，必須測量的量是電流。測量這種電流的技術(shù)有很多，但只有一種技術(shù)可以產(chǎn)生半導(dǎo)體光電二極管所期望的檢測率、信噪比和精度。稱為跨阻放大器的電路是使用光電二極管時的首選電路(下圖所示)。

跨阻放大器相對于幾乎所有其他放大器配置的優(yōu)勢在于，當(dāng)電流開始從光電二極管流出時，它不會用電壓偏置光電二極管。通常，光電二極管的一根引線接地，另一根引線通過跨阻放大器的負輸入保持在虛地。光電二極管上產(chǎn)生的偏壓幾乎保持在零伏，這種情況有助于最大限度地減少暗電流和噪聲，并有助于提高線性度和檢測率。

實際上，跨阻放大器會導(dǎo)致光電流流過反饋電阻，從而在放大器的輸出端產(chǎn)生一個電壓 V = iR。由于儀表知道精密反饋電阻的值，因此可以非常準(zhǔn)確地計算電流。

當(dāng)與熱電堆或熱釋電檢測器連接時，電壓是光表必須測量的量。然而，在必須如何在兩種類型的檢測器之間進行測量方面存在相當(dāng)大的差異。光度計的電路必須設(shè)計和配置為適應(yīng)兩種不同類型的電壓源。

熱電堆檢測器產(chǎn)生非常慢的帶寬電壓 (≈1 Hz)，可以在亞毫伏級別測量。嘗試解決此類低電壓時的主要問題之一是補償或消除由不同金屬引起的熱電電壓，這些熱電電壓在連接和印刷電路板中產(chǎn)生。具有諷刺意味的是，在熱電堆檢測器中產(chǎn)生電壓的理想物理效應(yīng)與連接和印刷電路板中存在的不良效應(yīng)相似。選擇電氣元件時必須采取預(yù)防措施，以幫助最大限度地減少不需要的熱電電壓。此外，為了準(zhǔn)確地解析小電壓，光度計必須能夠?qū)⒂捎谠蜔犭姸训臏囟绕埔鸬娜魏纹齐妷簹w零。

相比之下，熱釋電探測器在微秒范圍內(nèi)產(chǎn)生相對較快的上升時間信號(參見熱釋電基礎(chǔ)部分中的圖)。光度計中的電路必須采樣并保持脈沖的基線電壓和峰值幅度。然后將這兩個電壓輸入差分放大器;正是這種電壓差通過檢測器的響應(yīng)率決定了光脈沖中的能量大小。必須采取預(yù)防措施以避免意外觸發(fā)采樣保持電路，因為這些電路對噪聲很敏感。由于較快的熱釋電檢測器具有較窄的上峰，因此電路的帶寬必須足夠快以捕獲上峰電平而不會降低幅度精度，這一點至關(guān)重要。

測量光束功率

測量總準(zhǔn)直或非準(zhǔn)直光束功率(如下圖所示)，與偏振或光束對準(zhǔn)無關(guān)，非常簡單。光束被允許進入球體和檢測器，它被直接反射的輻射擋住，測量空間集成的光束功率。積分球非常適合測量激光二極管、透鏡 LED 和透鏡燈的發(fā)散光束的輸出功率。

測量透射率

透射率(如下圖所示)可以通過使用積分球從其中一個端口中的樣品收集透射輻射來測量。樣品被輻照，然后與在球體外進行的直接源測量進行比較。擋板用于屏蔽非集成傳輸?shù)臋z測器，光阱可用于去除未散射的成分。還可以測量總積分散射、熒光、體散射以及前向和后向散射。

測量反射率

為了測量反射率，將樣品固定在其中一個端口中并用入射光束照射?？偡瓷漭椛溆汕蝮w進行空間積分，并由帶擋板的檢測器測量。使用將鏡面光束反射回輸入端口的法向入射樣品架可以消除反射輻射的鏡面分量。8° 入射樣品架允許測量“鏡面加漫反射”反射率(如下圖所示)。樣品相對于已知標(biāo)準(zhǔn)的反射率可以通過測量兩者并取其比率來計算。樣品和標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)具有相似的反射率，以避免樣品反射率引起的誤差。雙光束系統(tǒng)可用于消除這種潛在的測量誤差源。

測量光纖功率輸出

積分球也是測量光纖輸出的理想選擇。特別是，這種方法避免了熱電堆對氣流的敏感性，并為外科或眼科應(yīng)用的高功率風(fēng)冷光纖手術(shù)刀提供可靠的 NIST 可溯源校準(zhǔn)(如下圖所示)。

測量激光二極管功率

積分球和校準(zhǔn)檢測器裝置適用于激光二極管的精確、絕對值光功率測量。您的測量將對與檢測器有效區(qū)域的過度填充或飽和相關(guān)的問題不敏感。位于輸入端口和檢測器端口之間的擋板可防止檢測器直接觀察激光器的發(fā)射孔徑或直接照明區(qū)域。在積分球中，檢測到的通量總是入射通量的一小部分。這種由光在到達檢測器之前多次反射引起的衰減使積分球成為測量高功率激光器輸出光功率的理想工具(如下圖所示)。