（物理电子学专业论文）三波长可见光功率计的技术研究.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，三波长可见光功率计的技术研究 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明 引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：圭e 竖拯2 生年三月型r 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和忙编学位论文。 作者签名生盟堕兰堕年且剑。 导师签名：垄兰兰j 吐年月丛r 摘要 l d 泵浦仝固态激光器是激光技术领域的一个重要分支因此研制与其配套的激光 功率检测设备也是个不可或缺的内容。本文从功率计的工作原理出发设计了一种以 硅光电池为探测元件的结构简单、成本低但非常实用的智能化三渡妊激光功率计，可 以实现对绿光5 3 2 n m ，蓝光4 7 3 n m 和红光6 7 1 r i m 三种不同波长激光的精确检测。 论文首先介绍了热电和光电两种类型探测器的基本工作原理对比和分析其优缺 点。指出热电探测器虽然响应频率宽但是响应时间长，而且价格昂贵；以硅光电池 为基础的光电型探测器精确度高，响应时间短，制作成本低廉。困此本文设汁的三 波长功率计采用了光电探测器。 其次t 在滤光片问题上我们选择了在5 3 2 n m 、4 7 3 n m 和6 7 1 r i m 都具有一定透过 率的型号为d t b 5 4 5 带通滤光片作为三波蚝功率计的滤光元件，一方面消除了杂散光， 另一方而也保证了三个波长激光的有效透过。 最后在波长切换控制方面设计了两种方案。一种是手动控制波长切换。另一种 是自动控制波长切换。井对手动控制方案进行了实验检测。检测结果与用标准单波长 功率计的测量结果基本一致。 关键词：硅光电池滤光片放大电路 三波长功率计 a b s t r a c t l dp u m p e ds o l i d s t a t el a s e ri sa l li m p o r t a n tb r a n c ho f i m s e rt e c h n o l o g y ，s or e s e a r c h i n g o nt h em a t c h i n gp o w e rd e t e c t o r sa r en e c e s s a r yt h i sm e t e ri ss i m p l ei nc o n f i g u r a t i o n 1 0 w c o s ta n d p r a c t i c a l ，w h i c hc a l lr e a l i z et h ep r e c i s em e a s u r e m e n tf o rt h r e ed i f f e r e n tw a v e l e n g t h s s u c ha s5 3 2 n m 4 7 3 n ma n d6 7 i a m f i r s t l yt h eb a s i cw o r k i n gp r i n c i p l e so ft h e r m o e l e c t r i ca n dp h o t o e l e c t r i cd e t e c t o r sa r e i n t r o d u c e d a n dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g ea f ec o m p a r e da n da n a l y z e di tp o i n t so u t t h a ta l t h o u g ht h e r m o e l e c t r i cd e t e c t o rr e s p o n s ew i d e rf r e q u e n c yw i d t hb u tt h er e s p o n s et i m e i s l o n ga n dt h ec o s ti se x p e n s i v ep h o t o e l e c t r i c a ld e t e c t o ro fs i l i c o np h o t o c e l li so fh i g h p r e c i s i o na n d t h er e s p o n s e t i m e i ss h o r ta n d t h ep r i c e i s l o w t h e r e f o r e t h e t h r e e w a v e l e n g t h s p o w e rm e t e rd e s i g n e di nt h i sp a p e ra d o p t sp h o t o e l e c t r i cd e t e c t o r i na d d i t i o n ，w es e l e c tm o d e lo fd t b 5 4 5b a n d p a s sf i l t e r sw h i c hh a v ec e r t a i n t r a n s m i t t m a c e sa t6 7 1 n m 5 3 2 n m ，4 7 3 n mw a v a sf i l t e r i n ge l e m e n t w h i c hn o to n l ye l i m i n a t e s t r a yl i g h tb u ta l s oe n s u r ee f f e c t i v et r a n s m i s s i o no f t h r e ew a v e l e n g t h s i nt h ee n d t w os c h e m e sa r ed e s i g ni nw a v e l e n g t hs w i t c h i n gc o n t r o lt h eo n ei sah a n d c o n t r o lw a v e l e n g t hs w i t c h t h eo t h e ri sa u t o m a t i o nc o n t r o lw a v e l e n g t hs w i t c hm o r e o v e r w e c a r r yo u te x p e r i m e n td e t e c t i o nf o rt h es e e o n ds c h e m e w h o s er e s u l ti sc o n s i s t e n tw i t ht h e m e a s u r i n gr e s u l t sw h i c ha j ed e t e c t e db yt h es t a n d a r ds i n g l ew a v e l c n g t hp o w e rm e t e r s k e yw o r d s ：s i l i c o np h o t o c e l l f i l t e r a m p l i f i e rc i r c u i t t h r e ew a v e l e d g t h sp o w e r m e t e r 目录 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论。l 1 l 问题来源及研究意义 i 2 激光功率计国内外现状一 13 本文的工作 6 第二章光电式传感器特性7 2 l 光电传感器的分类7 2 2 光电池的特性9 23 硅光电池的结构及工作绦理 2 4 激光对光电传感器的损伤 2 5 毛玻璃的作用 一 1 6 1 8 第三章滤光片的特性1 9 31 垒固态激光器输出光r ，的杂光1 9 3 2 滤光片的特性 第四章三波长激光功率计的研究 4 1 一般激光功率计的工作原理 4 2 手动切换三波长功率计设计方案 4 3 自动切换电路开关设计方案 2 3 2 3 4 4 功率计的主要技术参数 3 2 总结 致谢 3 3 3 4 参考文献。3 s 第一章绪论 激光技术是二十世纪人类的重大科技发明之一它对人类的社会生活产生了广泛 而深刻的影响。作为高科技的研究成果，在很短时间内就得以推广应用与它本身的特 点是分不肝的，由于激光具有很好的单色性、相干性、方向性和高能量密度，它不仅 广泛应用于科学技术研究的各个前沿领域而且已经在人类生产和生活的许多方面得 到了大量的应用。根据美国光电子工业发展协会的报告，与激光技术相关的产业已经 在全球形成了超过千亿美元的年产值“。 目前激光技术领先的育三个地区东驱、北美、西欧这三个地区激光产业的发展 代表了当今全球激光发展的方向。美国在激光医疗及检测方面拥有领先的技术，德国 在激光材料加工方面则一直占居着第一的位置，日本则在光电子技术方面占有一定的 市场份额”1 。 从六十年代以来激光技术在全世界得到了快速的发展，同时取得了很好的经济效 益和社会效益可以毫不夸张地说，现代社会的方方面面已经与激光的应用密不可分。 由于我国激光产业具有很好的发展前景和发展潜力，正在作为新的经济增长点而引起 政府的高度重视，我国已制定了相关的发展战略发挥优势推动技术创新但除激光音 像设备已形成较大的产业规模激光医疗和激光加工制造等技术发展缓慢，与其他国 家相比有很大的不足”。 1i 问题来源及研究意义 1 9 6 0 年，美国科学家悔曼用脉冲氙灯激励红尘石晶体获得6 9 43 n m 的激光输出， 从此诞生了世界上第一台固体激光器。自第一台激光器问世以来，固体激光器就开始 飞速发艘。但是惰性气体作为泵浦电源的电光转换效率不高；另外惰性气体做为泵浦 光源寿命砸、难于模块化生产。这使得闪光灯泵浦的固体激光器诞生以来，虽然应用 领域已非常广泛，但仍处于多品种、高损耗、低效率状态。 随着i # 导体激光技术的飞速发展。出现了激光二极管泵浦的全固体激光器半导 体激光器采用电注入式p n 结发射激光，谱带很窄，波良可调，量子效率( 产生的光子 数与入射的光于数之比) 接近i 激光效率超过5 0 寿命长达万小时，且体积小。 输出波长在( 8 0 0 - 9 0 0 ) a m 之删的窄带半导体激光器，能够为固体激光介质中的几种 稀土离子提供有效的泵浦，这可以说是固体激光技术的一场革命。半导体泵浦全固态 激光器自身所具有的商转换效率、体积的小型化、可靠1 生高以及更优化的光模式必 将取代一些传统泵浦方式的激光器，成为最有发展潜力的激光器。再加入非线性光学 晶体，通过倍频、和频、差频等疗法可实现红，绿、蓝等波眭的激光输出。 由于l d 泵浦全固态激光器快速发展，在备行备业的应用不新深入这对其功率 的检测提出了许多新的要求，小型化，智能化，商精确度等，因此研制与其配套的激 光功率检测殴备是一个不可或缺的内容。普通的光电功串计只能实现对一种波长激光 的精确检测而对其它波长的激光不能给出正确的检测结果。如果要实现不同波段的 激光器的功率检测，必须配备不同的功率计，这与目前撒光波长多样化的发展趋势不 协调给现实应用也带来很多不便。所以要满足这些新的要求，激光功率计的设计研 究仍然是一个眭久的课题。 i 2 激光功率计国内外现状 随着激光技术的应用领域目益扩展与此相应的激光参数计量测试越来越受到重 视。目前很多国家的标准实验室都设有自己的激光辐射计和量热计标准下面以美国、 英国和我国为例进行说明，这其中以美国在各个方面犀为领先。 n i s t 是美国标准技术研究院的缩写，原名为国家标准局成立于1 9 0 1 年，是美国 国家展高计量技术机构，也足美国国内级别最高的政府计量管理及计量技术机构。 美国标准技术研究院在激光功率和能量计量方面处于国际领先水平，下属的博尔德 实验室光电子分部承担了大部分工作表1 - 1 列出了五个系列标准的主要技术指标“1 。 从表1 一l 可以看出美国国家标准计量技术研究院在激光功率的波长范围和功率量程上 都是首屈一指的。 袁1 - i 美国国家最高计量技术机构激光功率和能量标准表 英国国家物理实验室在檄光功率计量方面也建立了比较完控的标准体系英国 国家物理实验室创建于1 9 0 0 年，是英国国家测量基准研究中心也是英国最大的应用 物理研究组织。 英国国家物理实验室作为高度工业化的计量中心，与全国工业、政府各部门、商 业机构有着广泛的同常联系，对外则作为国家代表机构，与各倒际组织、各园计量中 心联系同时也向闻家政府提供建议，功率计主要技术指标如f 表1 2 ”1 。 表卜2 英国国家物理实验室的连续激光功率计量标准 中国计量科学研究院成立于1 9 5 5 年隶属国家质检总局，是社会公益型科研单位、 国家最高的计量研究中心、国家级法定计量技术机构。中国计量科学研究院承担着保 存国家计量摹、标准和研究相关的精密测量技术的任务，为保证全国量值的统一做出 了重要的贡献。 中国计量科学研究院自建院以来以瞄准国际计量科学前沿满足国家科技，经 济和社会的发展及高新技术应用需要为目标，开展了大量的基础性工作前瞻性和综 合性的技术研究，其主要技术指标如表1 3 所示“1 。 表l 一3 中圆计量科学研究院激光功率基准 美国标准技术研究院和英国国家物理实验室，为了满足现代科技对激光功率准确 度的要求分别研制自己的功率汁基准，并做出了相关的技术舰定。美国标准技术研究 院给出的剃4 地功率的标准在全世界最高，其不确定度为1 。 我们国家也肘激光测鞋功率给出了相应的技术规定并研制出了有关的标准装置。 如图1 1 所示是激光小功率标准装置示意图。 我国计量科学研究院研制的激光小功率标准装置由一台稳定功率激光器和一台标 准功率计组成其技术指标如下：定标波长为0 6 3 2 8 微米：测量波长的范围为0 3 到 1 5 微米；测量不确定度为1 5 ；测量功率范围为0 1 到1 0 0 毫瓦。 快门标准或被检功率 罔ll 馓光小功率标准装置示意幽 数字电压表数据采集系统数字电压表 图1 2 激光中、 功率标准装置测试原理图 我囡汁量科学研究院研制的激光扎大功率杯准装簧测试原理如图l2 所示其原 理为定标波长的激光器输出激光柬经衰减器后，达到所需激光功率值，射入到待测激 光功率计根据事先测虽得到楔型分求器对标准激光功率计和监视激光功率计的分求 比、标准激光功率计的功率灵敏度、衰减倍数及监视激光功率计的值，可计算得到待 测激光功率计修正值或功率灵敏座值。数据测量系统用于显示光热电势和自动数据采 槊与数据处理。我国计量科学研究院研制的中、大功率标准装置的技术指标如下：功 率范围为1 0 0 毫瓦到1 5 千瓦：不确定度为2 ；测量波长范围为0 4 到1 2 微米：定标 波长为1 0 6 微米。 我国计最科学研究院为了满足现代激光功率基准的要求，而建立的激光功率标准， 原理如图1 3 所示。激光经稳功仪稳定后，经过空问滤波，通过快门控制，由低温辐射 计测量其输出功率，陷阱探测器山低温辐射计标定而后由陷阱探测器标定激光功率。 其主要技术指标如下：测量不准确度为i ；功率范围为1 0 微瓦到1 0 毫瓦：定标 波长为l0 6 微米和0 6 3 2 8 微米：传递标准测量不确定度为5 ；测量波长范围为03 1 到2 0 微米。 近年来，虽然我国在激光功率计量方面有了长足的进步但是相比美国等一些国 家我们的技术还是有很大差距有些敏感的技术依然依赖国外这对我们国家经济和 国家安全的发展建立都形成了报大的阻碍。 根本不具备基本数据处理能力和联机能力 有效的t i 。量测试。 国内生产的激光功率汁量设备性能单一。 对于新型激光嚣和激光产品经常不能提供 低温辐射计 幽l3 川低 j ；矗辐射计测城功率的原理哪 【闽内的激) 匕功率计从发腥到使j i l 部和国际水平有很大差距。阿外生产制造的激光 功率计基本已经实现了全面的数字化、智能化尤其是美国的激光测量功率计的技术 水平和使用率都全球领先”1 。国内能够生产研制功率计的企事业单位并不多，技术水平 也是参差不齐，仅有少数的几家企事业单位具有发展生产智能化仪器的水平因此一 些高端的技术设备根大程度上依赖进口。正是由于受到国外进口设备的猛烈冲击国 产的激光功率检测产品性能不佳只能以成本优势占领市场9 1 。 1 3 本文的工作 首先通过阅读文献查找资料了解激光功率计的国内外发展现状以及一般激 光功率计的种类、基本结构和工作原理。 其次，分析和对比了热电型探测器和光电型探测器的特点，并针对本次设计要求 即：能测量5 3 2 n m ，4 7 3 n m 和6 7 1 a m 三个波长的激光功率，量程在几十毫瓦量级，探 头的灵敏度要高等。选择硅光电池作为功率计的探测器，充分利用其在测量激光小功 率方面的优越性，如：测量光信号时响应时间短、线性好、噪声低、灵敏度高等。 再次分析了功率计常用滤光片的种类和特性，选择型号为d t b 5 4 5 的滤光片作 为三波长功率计的滤光片，可以保证6 7 l n m ，5 3 2 n m 、4 7 3 n m 三种可见光顺利透过。 并设计了放大电路，实现对三种波长激光的准确测量。 最后，在波长切换方法上设计了两种实现方案一种是手动切换，另一种是自动 控制切换。在实验上利用第四章实现方案对三波长功率计进行了测试测试结果表明 检查结粜与用标准的单一波长的激光功率计检查结果基本一致，表明该论文设计的三 波长激光功率计具有一定的实用性。 第二章光电式传感器特性 目| j 在国内外被广泛使用的探测器工作原理有以下两种：热电原理和光电原理。 热探测传魑器是利用红外辐射的热效应，热探测嚣的接收元由于衷面涂黑它的光谱 响应是无选择性的，其主要缺点为响应率较低、响应速度太慢。光电传感器是将光信 号转变电信号的器件是光电型激光功率计的重要组成部分，光电原理的传感器具有 结构简单、高精度、非接触、高可靠性、响应快速等优点，因此在检测领域得到了广 泛的使用。 2 1 光电传感器的分类 光电传感器的分类方法有多种光电传感器按作用原理可分：光电效应传感器 固体图像佑感器，光纤传感器。按材料可分为：锑镉汞：碲化铟、硫化铅和硒化铅； 其它半导体器件及材料。而按光电传感器的损伤机理分类则可分成：自聚焦模型损伤 机制、多光子电离模型损伤机制、模型失效机制、电子雪崩模型损伤机制热模型损 伤机制和缺陷模型损伤机制等。 光电传感器的原理是将被测量的光信号变化转换成电信号的传感器，具有这种功 能的材料称为光敏材科做成的器件则称光敏器件。光电式传感器的理论基础是光电 效应t 主要包括以下三种形式：外光电效应，内光电效应和光生伏特效应。 2 1 1 外光电效应 外光电效应叉称光电子放射教应，足指在光线作用下，光照射到金属或会属氧 化物的光电材科上，不仅在其表面而且在其较深处的电子也能吸收光能量光子的 能量传递培表面的电子，如果电子获得足盼的能量电子会克服引力逸出材料表面 进八外界，这种现敦称为外光电效应。 外光电效应早在1 8 8 7 年就被德固人赫芝发现。外光电效应分为“面效应”和“体效 应”两类。面烛应指光电子在金属表面形成：体效应指光电子在距离金属表面较深处形 成。 列纳德氏也对外光电效应进行了深八研究其成果可概括为如下三个方面： ( ” 在足够的加速电压作用下只要用一定频率的光照射到阴极表面，则所生光电流正比 于光强：( 2 ) 在能够产生外光电效应的照射光频率中。存在一个最低频率井且泼最 低频率与产生外光电效应的金属种类有关；( 3 ) 外光电效应的光电子最大能量值虽与 光强无关t 但却与照射光光频成正比关系”1 。爱因斯坦用光的量子学说完善地解释了外 光电效应，即频率为v 的光在空间传播时，其能量并不是连续的而足以h v 的能最粒 子在空f f i j 传播。用这种理论，设放射出的光电子最高能量为w ，那么w 应等于照射光 能h v 减去电予从金属内部到外部所需要的功a ，即： = u 一爿( 2 ” 式中a 为逸出功；h 普朗克常数；v 光频率。根据外光电效应做出的光电器件有光电管 和光电倍增管。 2 12 内光电效应 内光电效应，又称为光导效益是指在光照射作用下物体的导电性能发生变化。大 多数的高电阻率半导体都会产生电阻率降低而易于导电的内光电效应。这是由于当光 照射到半导体上时在入射光线作用下，电子从价带被激发跃迁至导带上，从而形成 自由电子，与此同时，价带也因此形成自山空穴这样的结果是导带的电子和价带的 空穴浓度增大，激发出电子空穴对使载流子浓度增加，半导体导电性增j j n l 起电阻 率减少1 。 与外光电效应情形相同，并非任何频率的光都可激发电子的跃迁。为使电子从价 带激发到导带入射光子的能量应大于或等于半导体材料禁带宽度。将能够使价带电 子跃迁至导带的光谱范围称为基础吸收谱带，并将谱带的最大波长称为基础吸收端或 截止波长。根据频率越高光能越大的道理，低于截止波长的光本浚对应更大的吸收系 数和产生更多光电流，但是，实际的特性曲线却并非如此其原因是，随着吸收光能 的增加，载流子浓度也因此剧增，但电子与空穴的复合速度同时也大大加快( 一旦复 合就不能形成光电流) 甚至使载流子的复合速度太于其生成速度。基于内光电效应 原理的光电器件有光敏电阻。 光敏电阻又称光导管是利用半导体材料制成豹光电器件，常用的制作材料为硫 化镉，光敏电阻没有极性使用时可加直流电压，也可加交流电压。光敏电阻的光电 流与光照强度之间多数是非线性的不宜做线性测量元件，一般用做丌关式的光电转 换器。 2 l3 先生伏特效应 光生伏特效应足指当半导体材料收到光照射后产生了一定方向电动势的现盈1 。“。 根据其所生电动势的机理的不同光生伏特效应又可分为殿巴效应、光电磁效应和p - n 结光生伏特效应三种。 殿巴效应，当强光照射到半导体表面时，其能量被半导体吸收，在表丽附近形成 尚浓度的电子与空穴，结果因表面与内部之日】的载流子浓度差而出现电势的现象即 为殿巴效应。 光电磁效应，当半导体表面受强光照射并在其垂直方向加以外磁场时则半导体两 端面间产生电势，将这种现苏称为光电磁效应，简称p e m 效应。p e m 效应可以看作 光扩散电流的霍尔效应。就是说，从半导体表面向其内部扩散开击的光生载流予在磁 场作用下按照左手定则产生偏移。锗、锑化铟、砷化铟、硫化铅、硫化镉等许多半 导体材料都可呈现较明显的光电磁效应。 p - n 结光生伏特效应光照射到距离表面很近的p - n 结时。p - n 结及其附近的半导 体吸收光能，价带电子受激跃迁至导带形成自由电子，而价带则成对地形成自由空穴。 这些载流子在p - n 结内部电场作用下，电子向n 型一侧加速而空穴向p 型一侧加速。 载流子的流动即为光电流结果在半母体p 型侧带正电而n 型侧带负电，这种光生 伏特现象称为p - n 结光生伏特效应光电池的原理就是p - n 结光生伏特效应。 22 光电池的特性 作为能量转换元件，半导体光电池早已引起了人们的广泛注意，全世界每年发表 有关光电池研究进展情况的学术论文达数百篇之多从基础理论、新材料的制各、工 艺的改进、新型电池的制造、高效率光电池的研制，直到光电池应用中的稳定性分析 以及光电池在各个领域中的应用等备个方面都在广泛深入地开展着。 光电池是利用p - n 结光生伏特效应制成的光电转换元器件。它既可以作为电源( 太 阳能电池) ，又可以作为光电枪测元件。作为光电检测元件使用的光电池，具有较大 面积的p _ n 结，反应速度快工作时候不需要外加偏压等一些特点。 当光照射在p - n 结上时。在结的两端出现电动势，故光电池是有源元件。光电池 的制作材料有许多种，恸j 如硅、硒、锗、硫化镉、砷化镓等。其中砷化镓光电池转换 效率略高且耐高温，更耐宇宙射线的辐射，因此，它在太空领域应用根广。目前应 用最广、最有发展前途的是硅光电池和硒光电池。 2 21 光电池的光照特性 光l b 池足一种自发电式的光电，i 件它受到光照时自身产生一定方向的t b 功势， 在不同光照下有不同光电流和光生电动势。开路电压与光强是非线性的关系，如图2 i 所示在2 0 0 0 勒克斯时趋于饱和，不宜用作电压源；光电池作为测量元件时短路电 流在很大范围内与光强成线性关系，应把它作为电流源的形式来使用。 0 3 光 生 电o 2 流 量 0 1 0 6 o4 o 2 0 0 04 0 0 0 j ! l i 度1 x 2 22 光电池的频率特性 削2 1 光电池的光照特性 光 生 电 j i l 三 光电池的频率特性是反映光的交变频率和光电池输出电流关系的。光电池p - n 结 面积较大，极问电容大，这是导致电子瓶颈的主要原因，故频率特性较差。硅光电池 相对具有较高的频率响应特性如图2 2 所示。 0i5 0 03 0 0 04 5 0 06 0 0 07 5 0 0 八射光调制频串- 7 酗2 2 光电池的捌牢特性 蚰 加 如 柑对光电流 2 23 光电池的温度特性 通常硅光电池使用的温度不允许超过1 2 5 ( 2 光电池的温度特性主要描述开路i 乜压 和短路电流随温度变化的情况，丌路电压醢温度的升高而下降的速度鞍快，短路电流 虢温度上升却足缓慢的，如图2 3 所示。 5 0 0 耋4 0 0 电 坚3 0 0 2 0 0 1 0 0 02 04 0 6 08 01 0 0 温度 1 2 刚2 3 光电池的温度特性 2 24 光电池的光谱特性 2o 1 8 光 生 电 流 暑 光电池的光谱特性和材辩有关对不同波蚝光的灵敏度不同由图24 可知。硅光 电池的转换效率高，寿命长，光谱响应峰值在8 0 0 r t m 附近包括部分可见光和部分近 红外光。硒光电池的光谱响应峰值在5 4 0 n t o 附近适于接收可见光。由2 4 圈可知硅 光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。根据待测激光的波长范围( 4 7 3 n m 、5 3 2 n m 、 6 7 1 n m ) ，综合考虑硅光电池更适用于测量。 相1 0 0 对 蚕8 0 度 4 6 0 4 0 2 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 0 入射光波托聃t m 图2 4 光电池的光谱特性 2 3 硅光电池的结构及工作原理 硅光电池又称光生伏特电池。它是一种将其他光源的光能直接转换成电能的器件 因这一特性硅光电池很可能成为束柬电力的重要束源同时硅光电池具有体积小， 低偏置电压，灵敏度高。时间常数小( 1 0 1 0 1 秒) ，工作在可见光和近红外区域等特 点，得到了广泛应用，因此硅光电池在现代检测和控制技术中有十分重要的地位。 23 1 硅光电池结构 制造光电池要用到多种材料。按照材奉斗的作用来说有吸收入射光子的所谓光吸材 料：有f i 以和其它材料构成某种“结”但又可使入射光子能透射过去的所谓窗口材料： 有用于减少光子反射的减反材料：有形成欧姆接触的接触材料以及起保护作用的封装 材料等。但是其中晟重要的组成部分是光吸材料依靠这种光吸材料柬吸收入射的光 能产生可以迁移的光生载流子。 如图2 5 所示硅光电池的结构示意圈用扩敞法在p 型硅衬底上彤成n 型层制成 犬面积p - n 结再用真空发或者化学沉积法在n 层上面淀积盒属栅，作为难面欧姆接 触电极。目前t 以硅材料制作的硅光电池的技术比较成熟，单晶硅光电池是现在应用 最广的一种t 制作硅光电池所用的单晶硅材料大多数是采用坩埚直拉法制造的单晶 棒料它的性能直接影响成品光电池的光电转换效率。用p 型或者1 1 型硅作基体材料 制成的各型光电池。吾项性能参数十分接近都能得到性能满意的光电池。 幽2 5 硅光电池结构示意圈 反射胺 单晶硅光电池的一般制造工艺漉稷如图2 6 所示。对于材料的选择，硅的电阻率通 常选用的范围为( 01 5 0 ) n c m 在一定范围内硅材料电阻翠较低对，制成光电池的 开路电压较高，短路电流密度虽稍低，但转换效率比较高所以，常规电池多采用( 08 - 2 ) n t c m 的材料，此外还要考虑光电池的耐辐射能力。在常规的硅光电池生产中硅片表 面不进行机械抛光，而是通过化学腐蚀法把耜糙的切割面腐蚀掉从而得到一个平整 光亮的表面。 表腐 面 扩 制 蚀 处i 技 作 周制测 理制 上 边减 备 庭 反 备 及 电 焊 射 试 科检 报 接膜 测电 切极 片 图2 6 常规硅光电池t 艺流程围 因为p - n 结特性的好坏是影响光电池光电转换教率的重要因素，困而制作一个 完整的大面积p n 结是生产硅光电池的重要工艺。制作p - n 结的方法有扩散法、离子注 入法、外延法等等，生产中大多采用扩散法。硅光电池中常甩的杂质扩散元素是磷和 硼。根据硅光电池的工件原理，常l 见电池的结一般为( 03 - o5 ) 岬深的浅结。影响扩散 结深的主要因素是扩散温度和扩散时r j ，为了减少高温扩敞对载流子寿命的影响，扩 散温度需要适当选低，扩敞时间适当增长，这样对结渫的控制和杂质的分布也是有利 的。 制作电板，在扩散过程中，硅片的两面及周边都行成口- n 结，所以在制作电极前， 需要击除一个面及周边的结。制作电扳的方法不同去结的方法也不同。金属电极材 料的选取。要求与硅的粘附性好有优良的导电性，同时容易进行焊接。但是任何 一种盒属材料都难于同时满足这许多要求。所以硅光电池的电极往往是由几层金属组 成的分别为粘附层和导电层，有的在两者之间还夹有钝化层。制作电极的方法有真 空蒸镀法、化学镀膜法、印刷烧结法等，所用的金属材料有锅、钛、银、镍等。 镀减反膜，常规硅光电池的表面是用化学抛光法制做的一个较为平整而光滑的表 面，对( 05 1 1 ) l a i n 波长范围内的光，有高达3 5 的光能量被表面反射而损失，为了减 小这部分损失，往往在表面上镀上一层透明的减反射膜，达到提高光电流和光电转换 效率的目的，对电池表面也可起保护作用。目前实际使用的材料有一氧化硅、二氧化 钛、五氧化二钽及氮化硅等。s i o 是最常用的减反射膜材料，s i o 膜制作简便、工艺成 熟、价格较便宜尽管有与硅橡胶不太匹配等缺陷。但是仍得到了广泛地应用。 2 32 硅光电池的原理 硅光电池的基本原理如图27 所示当两种不同类型的半导体结合形成p - n 结时。由 于分界层( 口n 结) 两边存在着载流子浓度的突变，必将导致电子从1 1 区向p 区扩散， 同时空穴从p 区向i r l 区扩散，扩散的结果将在p - n 结跗近产生空间电荷聚集医从而 形成一个由n 区指向p 区的内电场。当有光照射到p - n 结上时具有一定能量的光子， 会激发出电子空穴对。这样，在内部电场的作用下，电子被拉向n 区，而空穴被拉向 p 区。结果在p 区空穴数目增加而带正电，在1 1 区电子数目增加而带负电，在p - n 结两 端产生了光生电动势，这就是硅光电池的电动势，这就是硅光电池的基本原理。“。 若分别在p 型屡和n 型层焊接上金属引线，接通负载。在持续光照下，外电路便 有电流通过。如此形成的电池元件，经过串联和并联，就能产生一定的电压和电流， 从而实现光电转换。硅电池相应时削短光电转换效率高。若有2 m 1 的这种光电池， 在足够的阳光下，可以产生2 0 0 多瓦的电能。 图27 砖光电池原理示意圈 国产的硅光电池有2 c r 和2 d r 两种类型，其中2 c r 型硅光电池采用n 型单晶硅 制造，2 d r 型硅光电池采用p 型单品硅制造。表2 1 列出了部分国产2 c r 硅光电池主 要技术参数。光电池的转换效率n 即光电池的最大输出功率h 。与入射光功率p 。之 比： - = 等 旺z ， 表2 1 部分国产2 c r 硅光电池主要技术参数表( 3 0 c 八射光强10 0 m w 唧2 ) 2 , 4 激光对光电传感器的损伤 激光照射光电传感器有时会超过饱和闽值导致光电传感器损伤。这主要是由于激 光的特性造成的，很小的发散角很好单色性，很高亮度等。激光在材料单位而积上 的能量高造成吸收激光入射功率超过饱和阈值不同的光电传感器具有不同的损伤阈 值，实际上激光对光电传感器破坏属于热破坏”1 。激光照射产生的激光功率密度： m = ( 詈 l 雨 ， e 为激光在大气透过率；p 为激光器功率：d 为发射镜直径：b 为光束质量；l 为激光 作用距离：x 为激光波长。 激光功率过高造成的传感器表面形卷变化主要有：弓形坑、表面熔化、蒸发、弧 坑等。碲锡铅、锑镉汞及其有关材料的损伤闽值如表2 - 2 。 表2 - 2 光电传感器碲锝铅、锑镉汞厦其有关材料的损伤阅值 表2 3 给出了碲化铟、硫化铅和硒化铅探测器的激光损伤闽值。山于不同型号的 硅光电传感勰制作原理的不同所以损伤蝴值差异很大。 表2 - 3 光子探测器碲化锢、硫化铅和硒化铅覆其材料的损伤阉值 半导体光电二极管是典型的光生伏特效应器件，其激光损伤表面形态变化有弧坑、 龟裂和减反层明显脱落“。在光电传感器及光电材料中锗、硅、砷化镓和锗掺汞等材 料的应用也十分广泛，表2 4 给出了各种光电二极管以及锗、硅、砷化镓、锗掺汞等 材料的激光损伤阈值“。雪崩光电搽测器对光响应非常敏感，雪崩光电探测器永久性 损伤的标志：反向击穿电压降低：噪声增大：响应时间明显降低；前放组件永久性损 坏“。 表2 - 4 各种光电二极管器件或材料结构的损伤阁值 25 毛玻璃的作用 毛玻璃是表面粗糙的半透明玻璃，也h u 雾面玻璃、磨砂玻璃锋：毛玻璃是将玻璃 表面用金刚砂等磨过或以化学腐蚀方法处理使其表面变得凹凸不平。多数激光功 率计都会采用毛玻璃紧贴着放在探测元件的表面，一方面是为了保护探测元件搛测表 面避免受到激光高功率密度的损伤另一方面是由于探测器的输出信号与激光入射光 斑的照射位置有关激光光斑很小而在测量过程中，很难把握每次测量过程中激光 光斑都能入射到同一个位置因此为了使激光能够均匀的、充分的照射到光电池的有 效工作表面，通常采用毛玻璃使入射光均匀化。消除了由于每次入射角度或位置不 同导致的误差。图28 是我们设计中所使用的激光探头。中心部分为用胶固定的毛玻璃。 q i 封2 8 激光功率计探头中的毛玻璃 第三章滤光片的特性 3i 全固态激光器输出光中的杂光 在这里介绍一下5 3 2 n m 绿光、4 7 3 n m 蓝光和6 7 l n m 红光的全周态激光器输出光中 的杂光。l d 泵浦的全固态绿光激光器( 典型平凹腔结构装鼹如图3l 所示) ，半导体 激光器的中心波k 为8 0 8 n m ，半导体激光器发出的光经耦合系统聚焦注入到n d ：y v 0 4 晶体中，左端面镀1 0 6 4 n m 高反膜和8 0 8 n m 增透作为一个谐振腔反射镜右端面镀 1 0 6 4 n m 增透膜。采用k t p ( 磷酸氧钛钾晶体) 作为倍频元件输出耦合镜左面镀1 0 6 4 r i m 高反膜和5 3 2 n m 增透膜，右面镀5 3 2 n m 增透膜。激光从右面输出后主要为5 3 2 n m ( 绿 光) 的倍频光，同时包含没有被增益介质充分吸收的8 0 8 n m 泵浦光和少量1 0 6 4 n m 基 频光。对于红光激光器，一般全固态红光激光嚣是以n d ：y v 0 4 作为工作物质，l b o 作 为倍频晶体输出6 7 lr i m 红光，其杂光主要是指8 0 8 n m 的泵浦光和1 3 4 2 n m 基频光。 蓝光激光器是以n d ：y a g 作为工作物质l b o 作为倍频晶体输出4 7 3 m n 蓝光，其杂 光主要是指8 0 8 n m 的泵浦光和9 4 6 n m 基频光。为了将泵浦光和基频光滤掉，以免在测 量功率的时候产生误差，【；! | j 此对滤光片的选择尤其重要。 32 滤光片的特性 b 甘3l 全吼态绿光激光器装苴示意图 滤光片足用束对光波段进行选取的光学器件“”。用滤光片的t 要作用是为了1 ：i 【= 光谱中某些潜线通过“。州。滤光片的用处广泛刚开始滤波片在天文学中用束观测太阳 光谱”伴随着激光技术的发展。也被广泛地用于激光滤波m 3 波长信号分离m 1 ，机 载水文测试啪1 ，遥感删，光纤通信汹等方面。通过分析我们得知全固态激光嚣输出的 激光中除了我们所需要的倍频光以外还主要包含l d 的8 0 8 n m 泵浦光和未经转化的 基频光因此耍通过滤光片滤除这部分杂光。 3 2 l 滤光片的参数 一般来说，滤光片是用来选取所需光波段的物理器件是一种能按照规定的需要 改变入射光的光谱强度分布的光学器件。对于滤光片的性能描述主要是透射比t 和 光密度d 这两个性能参数。透射光通量与入射光通量之比被称之为透射比t ： t = o ( 3 1 ) o o 为经滤光片后的透射光通量中为入射光通量。 我们还可用光密度d 来表征滤光片特性定义为透射比t 倒数的常用对数： d = l o g i r ( 32 ) t 为透射比，d 为光密度。 322 滤光片的分类 市面上滤光片的种类繁多，不同的滤光片滤波原理也是不一样的这与光照射到 滤光片上产生的光学现象紧密相连，不同的滤光片有不同的用途。根据光学原理，大 致可将滤光片分成以下四大类：选择吸收滤光片：色散型滤光片：双折射滤光片：多 光柬干涉( 薄膜) 滤光片。 选择吸收滤光片通常它是由一定厚度的平行平面板组成的本身具有选择吸收 能力从而形成吸收滤光片n 。 色敞滤光片，复色光分解为单色光而形成的光谱现象叫做光的色散”。色散滤光 片足基于光折射率随波长变化原理制成的。还有一种反常色散光学滤波片是一种理 想的超窄带滤波器。被广泛的用于自由空间通讯。 双折射滤光片光在晶体中传播时，偏振光进入光轴平行于通光表面的晶体后， 分成振动方向垂直于品轴的寻常光和平行于晶轴的非常光，在不平行于光轴方向上 由于寻常光和l e 寻常光在晶体中传播速度不同折射率不同且非寻常光不遵守一般 的折射定律，因而就出现两笨折射光。这种现象叫做双折射现象1 。双折射滤光片就 是指有双折射特性的滤光片，与材料有关。双折射滤波片是法国天文学家、物理学家 利奥( l y o t ) 发明的利奥可调谐取折射滤光片利用各种不同方法来改变透过双折射滤光 片的波长伽。因为有利滤除背景光，所以在天文学方面应用广泛当时主要是为了观 察太阳的同珥和日冕而发明的洲。 3 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 09 0 01 0 0 0 w a v e l e n g t h 【r m j 图3 2 带通滤光片透射比 薄膜滤光片是利用干涉原理只使特定光谱范围的光通过的光学薄膜m ，通常由多 层薄膜构成。薄膜滤光片。也可分为薄膜吸收滤光片和薄膜干涉滤光片。薄膜干涉滤 光片是在一定片基上的全介质膜阻。膜层的材料、厚度和串联方式的选择，由所需要 的中心波长和透射带宽x 确定。 带通滤光片是一种短波和波有明显截止的玻璃，是一种重要的薄膜滤光片。其 选定波段的光可以通过，波段以外的光截止无法通过。带通玻璃以汉语拼音的d t b 来 命名把透射比最大值的波长位置值作为它们的序号，如图3 2 所示。带通玻璃最大透 射比的一半所对应的波长k 和k 之差称为半宽度，单位为纳米如图3 3 所示。 t 啪 h抽k i 生| 3 3 带通滤光片。 宽度示意圈 2 i 浚 帅 如 柏 舯 m o 一】l 5自p5c罩 带通滤光片的光谱特性由透射比t 和半宽度来表示的。带通滤光片可以获得较窄 的截止带和较深的截止度。短波截止波长是在峰值短波侧，长波截止玻长是在峰值长 波侧。表3 - l 列出了部分带通滤光片的数掘参数，根据设汁要求我们选择d t b 5 4 5 型 号的带通滤光片作为三波长功率计的滤光元件。 裹3 - 1 部分带通滤光片的数据参数 在使用滤光片时还有以下三点需要注意。( i ) 滤光片的老化效应，滤光片的带通 波长、半宽度随使用时问而变化，为了减小老化效应的影响，平时应该保持环境的干 燥。( 2 ) 滤光片的温度效应，是指温度变化会使滤光片的中心波长发生偏移可以选 用温度稳定性好的材料来减小温度效应带来的影响。( 3 ) 滤光片的入射角效应一般 来说，入射角加大，中心波长短穆透射率变低，而半宽度加宽所以实际使用时应 注意角度；利h j 这种效应可以弥补老化效应。 第四章三波长激光功率计的研究 前面已经介绍了热转换型的功率计在测试激光器的功率时是利用升温的原理来 测量功率，簿次测量都需要较长对酬等待，尤其是短时间内需要多次重复测量的情况 下该类型功率计的弊端更加明显。与此帽比光电型功率计就无需等待( 响应时8 】 在00 0 1 秒以下) ，优点明显而且半导体光电检测型功率计的精确度同样也能达到使 用的要求，其一般被用来作为标准光功率计。因此，该论文设计的三波长激光功率计 选用了光电转换型的探测器。 4l 一般激光功率计的工作原理 以测量5 3 2 r m _ l 的绿光为例，前面已经分析过输出光中的杂光主要是8 0 8 n m 的