光电式光功率计相关原理

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。