光电式光功率计相关原理

 

光电二极管 波长范围(nm) 最大功率(mW)
Si 200-1100  5-2000
350-1100
400-1100
Ge 800-1700

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。

 

 

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