探头教程

大多数探头在其有效区域上无法提供完全均匀的响应度(积分球除外，因为它将这个特性融合到了设计中)。因此，为了克服这些不均匀问题，入射光应有一定的直径大小，以便至少能够照射探头有效区域的10%。但是同样也要注意，不能过满照射探头(即，探头有效区域平面内的光束尺寸不得超过有效区域的大小)。对于高功率或高能量的光束，我们建议选择比光束直径大20%至30%的探头尺寸。

光束尺寸也会影响判断一个光源是否处于探头允许的最大功率和能量密度规格范围内。每个探头的规格说明内都写有这些最大额定值。请注意，如果光束不是平坦的空间强度分布，那么光束最亮区域的值不得超过最大功率和能量密度规格。例如，高斯强度分布的光束，中心的功率(能量)密度不应超过功率(能量)密度规格。参考上面的定义标签，了解适用于每种探头的规格详情。

使用热敏探头或热释电探头时，可以忽略光源的线宽。然而，对于光电二极管探头，产生的电流很大程度上取决于工作波长。如果光源线宽大于10 nm(比如LED)，那么功率计可能显示错误的功率读数。

使用光电二极管探头合理测量宽带光源的功率时，探头的响应度曲线在光源线宽范围上一定是接近线性的。如果功率计上的工作波长设定为光源的中心波长，光源光谱关于中心波长对称，则测量的光学输出功率近似正确。

光电二极管的表面、中性密度(ND)滤光片，甚至是热敏探头的黑色膜层，都会导致入射光产生一些背向反射。如果这种背向反射进入激光二极管或氦氖激光器这类设备的孔径中，可能会影响激光器的功率稳定性。我们建议将功率计探头相对于激光束略微倾斜，这样背向反射就不会进入激光器的输出孔径中。如果要完全避免背向反射，我们建议使用积分球探头，因为这种探头几乎可以完全吸收入射光。

环境光或杂散光可能显著影响自由空间应用中的测量准确度。可以通过重置探测器的零电平来消减恒定的背景光。功率计无法补偿变化的环境光，比如日光或开/关的室内光。在这些情况下，探头需适当遮蔽，以免受到环境光和杂散光的照射。Thorlabs针对这种应用提供了多种遮光产品。

Thorlabs的功率探头都在室温下校准(23 ± 5 °C)。

大多数情况下，与±5%的整体测量准确度相比，光电二极管探头的响应度与温度的相关性几乎可以忽略不计。不过，暗电流对温度很敏感，可以干扰低功率的测量。

相比之下，热敏探头对于感热盘与散热器之间的任何温差都有响应。探头周围的气流干扰，或散热器温度的升高(将感热盘长期暴露在激光束的过程中可能会发生这种情况)，都可能干扰功率的准确测量。为了最大程度地减少这些影响，探头应该尽可能屏蔽气流。探头应该针对用户的操作条件适当调零。例如，冷探头可以针对短时间测量进行调零。然而，对于长时间测量，应该允许探头在调零之前达到某一热平衡状态(比如在曝光约10分钟后)。

来自接地、电缆电容、温度效应、杂散光和环境光以及探测器的噪声都可能干扰测量的准确度。测量低功率时，这些噪声源会产生更大的影响。下面是一些可以降低噪声效应的提示和建议：

• 功率探头应该直接接地(例如，通过接杆安装)，因为外壳连接的是功率计的数字接地端。

• 能量探头应该通过安装使它们与接地端隔离，因为外壳连接的是功率计的模拟接地端。

• 探头电缆可以传导非常小的电流或电压信号，并且移动电缆时，电缆的电容会引起干扰，因此对于非常小的功率或能量测量，应将电缆固定位置。

• 对于光电二极管探头，带宽应设定为"低"。对于热敏探头，应该关闭加速电路。

• 对于Si或InGaAs探头，探测器噪声是最低的。

• 自由空间应用中的长期测量需要恒定的环境光条件，或遮蔽外部光源的光路。

• 测量期间应保持温度稳定。

激光从光纤末端以圆锥形发射，开口角是光纤接收角的两倍。光纤接收角可以通过下式计算：

其中，NA是光纤的数值孔径，n是折射率(对于空气，n=1)。

对于典型的光纤，发射光的总角度(2Θ)在15°与25°之间。如果使用有角度的接头(APC)，那么锥面与光纤轴的倾斜角约4°。

为了获得准确的测量结果，必须考虑从光纤末端到探测器位置所发生的扩束，以避免过度填满探测器。相反，如要使高功率光纤激光器降低功率密度，最好在光纤末端与探测器表面之间维持一定的间距。

Thorlabs提供带常用接头的光纤转接件，兼容我们的标准光电二极管功率探头、一体式无线功率计和大部分热敏探头。如要测量的是发散角较大的光纤输出，或者必须避免背向反射的应用，我们建议使用我们的积分球探头。

我们也提供专为基于光纤的测量而设计的探头。这些探头直接插到功率计中，探头与表头之间没有电缆，可以最大程度地减少测量干扰。

Thorlabs的能量探头基于热释电效应，ES1xxC和ES2xxC的热时间常数为20 ms；因此，当探头连接到1 MΩ的负载时，能量测量被限制在30 Hz至40 Hz的最大重复频率。对于需要更高重复频率的应用，我们提供ES3xxC和ES4xxC探头，其最高重复频率可达10 kHz。下面概括了获得准确的能量测量重点需要考虑的因素。

热释电探头提供电压脉冲，其峰值振幅与脉冲能量成正比。当功率计表头在峰值探测器模式下工作时，它显示的是单个脉冲的能量。触发电平可以设置在所选能量范围的0%至99%之间，它定义了峰值探测器识别脉冲、开始记录数据并等待到达峰值的低阈值。所以，触发电平必须设定成高于噪声水平，低于预期能量。一种有效方法是连接探头，选择所需范围，并提高触发电平，直到表头停止连续测量功率。请注意，最后的测量值将保持显示在表头上(能量测量模式保持峰值显示)。

上面图中，ES120C功率探头上的D-sub接头更换成了FT104 100 kΩ终端电阻器，通过T3285 BNC T-转接件连接。左图中，T-转接件的开放部分已经准备好插入示波器的BNC输入端。

脉冲重复频率不得超过实际探头类型指定的最大值。否则，测量的值会受到后续脉冲的影响。

提高ES1xxC标准和ES2xxC高能量探头可测量的最大重复频率的唯一方法是将能量探头与示波器(高电平-Z输入)和100 kΩ终端电阻器一起使用。如要通过我们的C系列热释电探头实现这种设置，首先要将BNC接头与红色D-sub接头断开连接。将BNC接头通过100 kΩ的终端电阻连接到示波器的高阻抗Y输入端。

我们不建议将此过程用于ES3xxC和ES4xxC探头，因为它们已针对1 MΩ负载进行了优化。

能量探头可以探测和测量亚纳秒范围到约2 ms持续时间的脉冲。最大脉冲持续时间取决于两个因素：

• 探头的电气时间常数，由探测器性能和负载电阻决定

• 探头的热时间常数

通常，热时间常数具有更显著的影响。

能量探头不仅对入射在吸收表面的光脉冲有响应，而且对机械脉冲也有响应。这个特性可用于快速检查热释电探头的可操作性。

• 松开红色的9引脚D-sub接头，并将探头的BNC电缆连接到示波器输入端。请确保输入设定成直流耦合和“High-Z(高阻抗)”。选择适当的X和Y分辨率。

• 用探头轻轻敲击桌面。如果探头正常运作，示波器屏幕上应该会显示脉冲。如果看不到脉冲，试着更改Y灵敏度和触发的设定。如果探头仍然没有响应，请联系技术支持techsupport-cn@thorlabs.com获取帮助。

我们的一些表头具有统计信息视图，显示探测的最小和最大功率等参数。

指针视图分别用绿色和黄色箭头标出最大探测功率和最小探测功率。这个功能可用于确定通过光电二极管探头探测脉冲信号适用的的功率范围。

功率计可以在以下条件下读取脉冲信号的平均功率：

峰值功率应低于探头的损伤阈值，不受脉冲长度和重复频率影响。由于热敏探头反应非常慢，它们会将入射在有效区域上的功率积分。

光电二极管探头可以分辨纳秒范围的短脉冲。因此，脉冲峰值功率不应大于探头的最大功率范围。如果脉冲峰值功率超过设定的功率范围，读数将被消减，并产生不正确的平均值。最小-最大值显示功能有助于找到合适的功率范围。

带宽设置也会影响某些脉冲长度和重复频率下的功率读数。使用''低(LOW)''带宽设置实现稳定的显示，使用''高(HIGH)''带宽设置通过模拟输出监测脉冲。

飞秒激光器的重复频率最高为几百MHz，而脉冲持续时间是几十飞秒的数量级。测量平均功率时，热敏探头通常能够提供最佳结果，因为脉冲的能量一般是中等强度的。不过，也要注意确认光源功率不会超过所选探头的最大额定值。

请确保键入表头的波长与入射光源的波长相匹配。错误的波长设置可能导致功率读数出现较大的不准确度。在入射光源波长已知的情况下，还要检查准确度和精度。

实例：使用S120C光电二极管功率探头测量规定波长为405 nm的光源。然而，光源实际发射的波长为401 nm，使测得功率产生15%的误差。

探头的响应度会随时间变化。光电二极管探头或用于UV范围的探头尤其容易如此。我们建议每年都重新校准一次探头。

规格表中包含了探头的规格。请不要将“分辨率(Resolution)”规格与可测量的最小功率混淆(分辨率是可以探测到的最小功率变化值，当表头设定在最小测量功率时，这个值等于表头上显示的末位有效数字)。

实例：S120C指定的光功率范围在50 nW与50 mW之间，分辨率为1 nW。也就是说，它可以测量的最小功率是50 nW，对于这个测量值，显示屏上的末位有效数字将是1 nW。

即使没有光子入射在有效区域上，光电二极管探头也还是会产生较低的电流，也就是探头的暗电流。暗电流与温度相关，一般是nA级(对于Si和InGaAs探头)或最高µA级(对于Ge探头)。

如果暗态下(没有光入射在有效区域上)有效区域(感热盘)与探头散热器之间出现热差异，或者在曝光期间散热器变热，则热电堆探头需要调零。没有光入射到有效区域的情况下，如果散热器比有效区域更热，则热电堆探头产生的电压将是负值，如果散热器比有效区域更冷，则电压将是正值。如果散热器和探测器都处于室温，则典型的电压值通常是几µV。

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