光电二极管光学传感器基础知识
当光子撞击光电二极管材料时，它可能会产生电子空穴对，具体取决于器件的量子效率。量子效率取决于许多因素，但一般来说，如果光子的能量 E = h v大于器件的能隙，这些光子将在复合率高的表面附近被吸收，并且会对光电流有贡献。量子效率决定了光电二极管光谱响应的波长依赖性。硅和 InGaAs 等半导体材料具有不同的能隙；因此，它们在不同波长下表现出不同的量子效率，从而导致特定材料类型独有的光谱响应曲线。
吸收器
由于具有高灵敏度和低噪声特性，半导体光电二极管非常适合测量微弱光。大多数光电二极管制造商专门设计用于光电导(反向偏置)或光伏(无偏置)模式的二极管，两者各有优缺点。
来自二极管的两个主要噪声源是约翰逊噪声和散粒噪声。在没有光照射光电二极管表面的光伏模式下，光电二极管处于热平衡状态，产生称为约翰逊电流噪声的随机热噪声，由下式给出
其中k是玻尔兹曼常数，T是开尔文温度，B是检测器/放大器的带宽，R sh是光电二极管的分流电阻。从该等式还可以看出，需要具有高分流电阻的光电二极管来降低约翰逊噪声。
散粒噪声是由电流在二极管中流动产生的噪声，由下式给出
其中q是电子电荷，I dark是暗电流，I photo是光电流。当光电二极管用于光伏模式时，二极管两端的电压保持在零伏。因此，这几乎完全消除了暗电流。因此，也消除了由暗电流贡献的散粒噪声。为了正确看待这些影响，如果检测器像光电导模式一样被偏置，暗电流将比无偏置检测器的噪声等效电流大大约三十倍。
光电二极管产生的光电流由功率计使用称为跨阻抗放大器的运算放大器电路直接测量。通常，即使在室温下，也可以进行低至亚皮安级的测量，并且具有良好的重现性。该规则的一个例外是当光电二极管的分流电阻与锗光电二极管(818-IR和918D-IR)一样小时。由于其低分流电阻(典型值为 50 kΩ)，最多可以解析数十皮安。
热电堆光学传感器基础知识
基本的激光高功率(>1 瓦)探测器本质上是一个热电堆。比较熟悉的热电堆应用，其实就是俗称热电冷却器的地方来自，是当施加电压以冷却热电堆的一侧及其所连接的任何东西时。然而，用于激光功率测量的热电堆以相反的方式使用。即，温度差用于产生电压。材料的一侧被激光加热，另一侧是散热器。被该材料吸收的激光能量转化为热量。当热量流过热电设备时，热电设备会产生温差。这种温差导致热电堆产生电压。该电压与温差成正比，温差与激光功率成正比。监视器测量此电压以提供以瓦特为单位的激光功率读数。
吸收器
光吸收材料是探测器最重要的部件之一。这是因为它的属性决定了探测器的大部分性能，尤其是它对脉冲损坏的抵抗力。这种材料吸收大部分来自激光的光能并将其转化为热能。根据材料和预期应用的不同，反射的一小部分可以从总光功率的百分之几到 50% 不等。材料的光谱吸收率响应曲线显示了多少。
体积吸收器
对于需要在小区域和短时间内为单个波长提供极高功率和能量的应用，体积吸收器是必要的。与直接在表面吸收能量的宽带材料不同，能量在整个材料厚度中被吸收。根据波长，可以通过这种方式处理大于 3 J/cm 2的能量密度和大于 100,000 MW/cm 2的峰值功率密度。
圆盘热电堆
激光功率测量中使用的热电堆有两种。一种是晶圆式热电堆，另一种是圆盘式。当大量平均功率被吸收并且必须流过包含热电偶的小间隙时，温度会变得足够高以损坏热电偶结点。那就是盘式热电堆显示其价值的时候。磁盘由两组径向布置的连接点组成。一组连接点排列在孔径下方，而另一组连接点靠近圆盘的边缘，圆盘连接到一个巨大的散热器上。激光功率加热中心的吸收器并在中心和边缘之间产生温差。热电偶产生与该差异对应的电压，就像在晶圆热电堆中一样。主要区别在于热量径向流过磁盘，可以处理更多的平均功率，尤其是在吹气或水冷的情况下。盘式热电堆还具有更快的自然响应时间
热释电探测器基础知识
热释电探测器设计用于测量最大宽度为 5 至 400 µs的短光脉冲的能量，具体取决于探测器设计。这些探测器由具有永久偶极矩的铁电晶体制成。当受到光脉冲时，晶体被加热并导致偶极矩发生变化。这个偶极矩的变化导致电流流动，在检测头中转换为电压，可以用光功率计或示波器测量。
如上图所示，由此产生的热脉冲相对于短光脉冲变宽了。在此热脉冲期间，电流流过铁电晶体，产生振幅增加的电压。光功率计具有测量输出电压刚刚开始增加和输出电压达到其峰值振幅之间的电压差的电路。然后将该电压差乘以检测器响应度(以焦耳/伏特为单位)，得到以焦耳为单位的脉冲能量。
使用热释电时，必须注意不要超过最大脉冲宽度或最大重复率。如果超过这些规格中的任何一个，测量精度将由于检测器的电气带宽限制而降低。
光电二极管光谱校准
检测器校准使用双单色器完成，以最大限度地减少杂散光学噪声，尤其是在紫外线中。单色仪使用三个光栅和两个光源来最大化 200 至 1800 nm 波长范围内的信噪比性能。在高达 310 nm 的紫外线范围内使用氘灯，然后在可见光和近红外线范围内使用钨灯。
光功率计基础知识
虽然大多数人希望以 dBm 或瓦特为单位进行测量，但光功率计只能测量光电探测器产生的电流或电压。
连接光电二极管时，必须测量的量是电流。测量这种电流的技术有很多，但只有一种技术可以产生半导体光电二极管所期望的检测率、信噪比和精度。称为跨阻放大器的电路是使用光电二极管时的首选电路(下图所示)。
跨阻放大器相对于几乎所有其他放大器配置的优势在于，当电流开始从光电二极管流出时，它不会用电压偏置光电二极管。通常，光电二极管的一根引线接地，另一根引线通过跨阻放大器的负输入保持在虚地。光电二极管上产生的偏压几乎保持在零伏，这种情况有助于最大限度地减少暗电流和噪声，并有助于提高线性度和检测率。
实际上，跨阻放大器会导致光电流流过反馈电阻，从而在放大器的输出端产生一个电压 V = iR。由于仪表知道精密反馈电阻的值，因此可以非常准确地计算电流。
当与热电堆或热释电检测器连接时，电压是光表必须测量的量。然而，在必须如何在两种类型的检测器之间进行测量方面存在相当大的差异。光度计的电路必须设计和配置为适应两种不同类型的电压源。
热电堆检测器产生非常慢的带宽电压 (≈1 Hz)，可以在亚毫伏级别测量。尝试解决此类低电压时的主要问题之一是补偿或消除由不同金属引起的热电电压，这些热电电压在连接和印刷电路板中产生。具有讽刺意味的是，在热电堆检测器中产生电压的理想物理效应与连接和印刷电路板中存在的不良效应相似。选择电气元件时必须采取预防措施，以帮助最大限度地减少不需要的热电电压。此外，为了准确地解析小电压，光度计必须能够将由于元件和热电堆的温度漂移引起的任何偏移电压归零。
相比之下，热释电探测器在微秒范围内产生相对较快的上升时间信号(参见热释电基础部分中的图)。光度计中的电路必须采样并保持脉冲的基线电压和峰值幅度。然后将这两个电压输入差分放大器;正是这种电压差通过检测器的响应率决定了光脉冲中的能量大小。必须采取预防措施以避免意外触发采样保持电路，因为这些电路对噪声很敏感。由于较快的热释电检测器具有较窄的上峰，因此电路的带宽必须足够快以捕获上峰电平而不会降低幅度精度，这一点至关重要。
测量光束功率
测量总准直或非准直光束功率(如下图所示)，与偏振或光束对准无关，非常简单。光束被允许进入球体和检测器，它被直接反射的辐射挡住，测量空间集成的光束功率。积分球非常适合测量激光二极管、透镜 LED 和透镜灯的发散光束的输出功率。
测量透射率
透射率(如下图所示)可以通过使用积分球从其中一个端口中的样品收集透射辐射来测量。样品被辐照，然后与在球体外进行的直接源测量进行比较。挡板用于屏蔽非集成传输的检测器，光阱可用于去除未散射的成分。还可以测量总积分散射、荧光、体散射以及前向和后向散射。
测量反射率
为了测量反射率，将样品固定在其中一个端口中并用入射光束照射。总反射辐射由球体进行空间积分，并由带挡板的检测器测量。使用将镜面光束反射回输入端口的法向入射样品架可以消除反射辐射的镜面分量。8° 入射样品架允许测量“镜面加漫反射”反射率(如下图所示)。样品相对于已知标准的反射率可以通过测量两者并取其比率来计算。样品和标准应具有相似的反射率，以避免样品反射率引起的误差。双光束系统可用于消除这种潜在的测量误差源。
测量光纤功率输出
积分球也是测量光纤输出的理想选择。特别是，这种方法避免了热电堆对气流的敏感性，并为外科或眼科应用的高功率风冷光纤手术刀提供可靠的 NIST 可溯源校准(如下图所示)。
测量激光二极管功率
积分球和校准检测器装置适用于激光二极管的精确、绝对值光功率测量。您的测量将对与检测器有效区域的过度填充或饱和相关的问题不敏感。位于输入端口和检测器端口之间的挡板可防止检测器直接观察激光器的发射孔径或直接照明区域。在积分球中，检测到的通量总是入射通量的一小部分。这种由光在到达检测器之前多次反射引起的衰减使积分球成为测量高功率激光器输出光功率的理想工具(如下图所示)。
