光谱功率检测仪是专门用于精确测量绝对光功率,或者测定通过一段光纤的光功率相对损耗的精密仪器。在光纤系统中,其地位如同电子学中的万用表,是不可或缺的基础测量工具。在光纤测量领域,它更是频繁使用的关键设备。通过光谱功率检测仪对发射端机或光网络的绝对功率进行测量,能够准确评估光端设备的性能。当光谱功率检测仪与稳定光源配合使用时,还可实现连接损耗的测量、链路连续性的检验,以及对光纤链路传输质量的有效评估。
光功率的测量主要有热学法和光电法两种。
此方法先使光能被探测器表面吸收并转化为热量,再经由热电探测器将热量转变为电量,最终依据电量指标来确定功率大小。其探测器一般采用圆盘式热电堆激光功率探测器结构,由几十个热电偶串联而成,整个热电堆固定于环形云母架上,通过测量两端电势差来反映激光功率。当激光照射在热电堆探测器靶心时,产生热量,热量经探测器转换为电势,由中心向边缘扩散,在热电偶热端和冷端形成电势差,进而输出电压,这就是热电效应(也叫塞贝克效应)。理论上热电偶对光波长不敏感,但因热电功率计探头表面热吸收膜层材料特性,会使一小部分入射光反射,且反射过程与波长有关,所以热电功率探头对波长稍有依赖。不同热吸收膜层材料的探头损伤阈值不同,一般用作热吸收膜层的材料具有较高损伤阈值和较强光热转换效率。由于热电探测器输出电压较小,通常为uV、mV级别,所以后续一般需要相应信号处理电路。热学法在波长特性和测量精度方面表现较好,但响应速度慢、灵敏度低且设备体积大。
该方法通过光电探测器直接将光转换为电量,再依据电量指标确定功率大小,其实质是测量光电检测器受光辐射后产生的微弱电流,该电流与入射到光敏面上的光功率成正比。光电法一般使用光敏面积较大的光电二极管探测器,其可在光伏模式或光导模式下工作。在功率测量应用中,光电二极管工作于光伏模式,其阳极和阴极与互阻放大器输入端相连,放大器将光电流转换为输出电压。光电二极管的响应率与制造材料及入射光波长密切相关,不同材料制成的光电二极管光谱响应度不同,且不同波长光的响应度差异较大。一般情况下,光电二极管测量光功率的最大功率有限(最大约3~5mW),若要测量更大功率,需在探测器前放置衰减片。例如景颐光电的积分球光谱功率测试系统,其中就涉及到对光功率的精确测量,该系统通过光谱功率检测仪和光纤光谱仪分别测量光源的功率和波长,通过专业软件输出测量结果,针对一些特殊应用,还可通过增加衰减片进行衰减。光电法具有响应速度快、线性特性好、灵敏度高、测量范围大等优点,但在波长特性和测量精度方面不如热学法。
任何时候都严禁让眼睛直视光谱功率检测仪的激光输出口,对于对端接入光传输设备的光源也同样要避免直视,否则会造成永久性视觉烧伤。
光电二极管、中性密度(ND)滤光片表面以及热探头的黑色镀膜等都会导致入射光的背向反射。若这种背向反射进入设备孔径,如激光二极管或氦氖激光器,可能影响激光器功率稳定性。因此,使用光谱功率检测仪测量光功率时,建议让激光光束略微倾斜照射到光谱功率检测仪探头有效探测面积上。
环境光或杂散光会严重影响自由空间应用中的测量精确性,尤其是对光电探头影响较大。可通过重置探测器零电平减去恒定背景光,但功率计无法补偿变化的环境光,如日光或室内光的开关。在这些情况下,需为探头设置遮光筒等方式进行适当遮蔽,以免受到环境光和杂散光照射。
使用热电探头时,光源线宽可忽略,因热电探头对波长响应度基本一致。但对于光电探头,其响应度非常依赖光源工作波长,若光源线宽大于10nm,光谱功率检测仪可能显示不正确功率读数,此时应选择光源中心波长作为功率计工作波长,以获得近似正确结果。
若光谱功率检测仪含有电池,不使用时应充满电存放,长期不用则需每月充电一次,以保护电池。
随着时间推移,探测器响应度会因老化而改变,所以光谱功率检测仪需定期标定,以确保测量的准确性和可靠性。例如景颐光电的光功率测量设备,也严格遵循定期校准的原则,以保障其在各类应用场景中的精确测量。
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