CN109540284B - 一种光功率探测器及其测量方法与制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及辐射测量领域，公开了一种光功率探测器及其测量方法与制备方法，其中该探测器包括光纤、第一吸光层、导热层和温度传感器；所述第一吸光层包覆于所述光纤的终端的表面，且所述第一吸光层的材料为吸光材料；所述导热层包覆于所述第一吸光层的表面，且所述导热层的材料为导热材料；所述温度传感器设置在所述导热层的表面，用于检测所述导热层的温度。本发明提供的探测器能够较准确的测量光功率，且不会因光的发散特性而影响测量结果，故该探测器能够保证检测结果的高精确度。

Description

一种光功率探测器及其测量方法与制备方法

技术领域

本发明涉及辐射测量领域，特别是涉及一种光功率探测器及其测量方法与制备方法。

背景技术

光导纤维(即，光纤)是一种能够传导光波和各种光信号的纤维。在当今的信息时代，人们在经济活动和科学研究中有大量的信息及数据需要加工和处理，而光纤正是传输信息的最理想的工具。以光导通信技术为基础的信息***与传统的电缆***比较，在同样多的时间内它可以进行更大量和更多类型信息的传送。

光功率测量方法一般是：将被测光入射到光纤后，将光纤终端对准一个平面探测器，该平面探测器的探测面能有效覆盖从光纤终端出射的光辐射横截面，其光谱响应度一般是溯源至相应的国家计量基标准。但是，平面探测器的光谱响应度所溯源到的标准，一般是通过准直光来实现量值复现的，而光功率离开光纤终端后具有一定的发散特性，以不同角度入射到探测器平面时会带来误差，因此需要发展更好的办法来实现高准确度测量。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种光功率探测器，旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

本发明的目的是提供一种光功率探测器的光功率测量方法，旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

本发明的目的是提供一种光功率探测器的制备方法，旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种光功率探测器，包括：光纤、第一吸光层、导热层和温度传感器；所述第一吸光层包覆于所述光纤的终端的表面，且所述第一吸光层的材料为吸光材料；所述导热层包覆于所述第一吸光层的表面，且所述导热层的材料为导热材料；所述温度传感器设置在所述导热层的表面，用于检测所述导热层的温度。

本发明还提供一种利用上述的光功率探测器的光功率测量方法，包括：将待测光入射至光纤，以使所述光纤的终端的第一吸光层吸收所述待测光而升温；所述第一吸光层的温度传递至导热层，以使所述导热层的温度升高；根据温度传感器检测的所述导热层的第一次温度变化，获取所述待测光的功率。

本发明还提供一种上述的光功率探测器的制备方法，包括：在光纤的终端的表面包覆第一吸光层，以及在所述第一吸光层的表面包覆导热层；在所述导热层的表面设置温度传感器；其中，所述第一吸光层的材料为吸光材料；所述导热层的材料为导热材料。

(三)有益效果

本发明提供的光功率探测器及其测量方法与制备方法，通过在光纤的终端依次包覆第一吸光层和导热层，以及在导热层上设置温度传感器，则可通过第一吸光层、导热层和温度传感器的相互配合，来检测入射至光纤的光线的功率，进而得到一种可以较准确的测量光功率的探测器，且该光功率探测器不会因光的发散特性而影响测量结果，故该探测器能够保证检测结果的高精确度。

附图说明

图1为本发明光功率探测器的一个优选实施例的纵向剖视图；

图2为本发明光功率探测器的另一个优选实施例的纵向剖视图；

图3为本发明光功率探测器的又一个优选实施例的右视图；

图4为本发明光功率探测器的再一个优选实施例的右视图；

图中，1-纤芯；2-包层；3-保护层；4-第一吸光层；5-导热层；6- 温度传感器；7-加热器；8-基板；9-导热介质层；10-第二吸光层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

图1示出了本发明光功率探测器的一个优选实施例的纵向剖视图，如图1所示，该光功率探测器包括：光纤、第一吸光层4、导热层5和温度传感器6；第一吸光层4包覆于光纤的终端的表面，且第一吸光层4的材料为吸光材料；导热层5包覆于第一吸光层4的表面，且导热层5的材料为导热材料；温度传感器6设置在导热层5的表面，用于检测导热层5的温度。

具体地，由于吸光材料是指光线照射在事物之上，于照明之外并无透射，也不产生映射和大块的耀斑和反光，而是在吸收光线后再漫反射出部分光线，从而保持规律性的明暗层次。例如，第一吸光层4 的材料采用高吸光率材料，例如，第一吸光层4的材料为新型、超薄的石墨烯薄板等。以及，将第一吸光层4包覆于光纤的终端的表面，例如，将该第一吸光层4完全包覆于光纤的终端的表面，若光纤的终端的表面为圆柱形，则该第一吸光层4的形状为空心圆柱形，且该空心圆柱的内直径与光纤的终端的直线相匹配，即第一吸光层4与光纤的终端紧密贴合。当然，第一吸光层4的形状可以根据光纤的终端的形状不同，而相应改变。则在光线入射到光纤时，使得光线被该第一吸光层4吸收，从而使得第一吸光层4的温度升高。

由于导热材料是一种新型工业材料。这些材料是近年来针对设备的热传导要求而设计的，性能优异、可靠。例如，导热层5的材料采用高导热材料，例如，导热层5的材料为高纯铜或石墨片等。以及，将该导热层5包覆于第一吸光层4的表面，例如，该导热层5将第一吸光层4完全包覆，且导热层5的形状与第一吸光层4的形状类似，若第一吸光层4的形状为空心圆柱形，则导热层5的形状也为空心圆柱形，且导热层5与第一吸光层4紧密贴合。当然，导热层5的形状可以根据第一吸光层4的形状不同，而相应改变。则当第一吸光层4 的温度上升时，可将第一吸光层4的温度传递至该导热层5，进而使得导热层5的温度也相应升高。

以及，由于温度传感器6(temperature transducer)是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。通过在导热层5的表面设置温度传感器6，则可实时检测导热层5的温度，进而可根据导热层5的温度变化得到该温度变化产生的热量，从而得到入射至光纤的光线的功率大小。

在本实施例中，通过在光纤的终端依次包覆第一吸光层4和导热层5，以及在导热层5上设置温度传感器6，则可通过第一吸光层4、导热层5和温度传感器6的相互配合，来检测入射至光纤的光线的功率，进而得到一种可以较准确的测量光功率的探测器，且该光功率探测器不会因光的发散特性而影响测量结果，故该探测器能够保证检测结果的高精确度。

另外，可将第一吸光层4和导热层5设为同一层，该层的材料同时具备吸光和导热性能即可，例如，该层的材料为石墨烯等。另外，可将第一吸光层的厚度设为0.1-100mm；且第一吸光层的厚度方向与光纤的长度方向一致。

进一步地，光功率探测器，还包括：至少一个加热器7；加热器7 设置在导热层5的表面，用于加热导热层5。本实施例中以在导热层5 的表面设置一个加热器7为例进行说明，但并不用于限制本发明 的保护范围。例如，将温度传感器6设置在导热层5上与楔形的直边的相对处；将加热器7设置在导热层5上与楔形的斜边的相对处。例如，该加热器7为通过电极进行加热的电加热器7。

则在该探测器测量光功率时，先将被测光线入射至光纤，则光线被第一吸光层4吸收，使得第一吸光层4的温度升高；随后，第一吸光层4的温度传递至导热层5，使得导热层5的温度也升高，此时温度传感器6会检测到导热层5的温度变化，例如，此时温度传感器6检测到导热层5的温度变化为T1。之后，将被测光线移除，采用电极对加热器7进行加热，进而使得导热层5的温度升高，直到温度传感器6检测到导热层5的温度变化也为T1时，停止对加热器7进行加热，此时记录电极的电流I和电压值U。通过P＝UI即可计算得出使导热层5的温度变化T1所需的功率，可将该功率与根据温度传感器6的温度变化获取的待测光的功率进行比较，实现对该探测器的自校准，进而得到该探测器的测量精度。

另外，也可根据需要在导热层5的表面设置多个加热器7，多个加热器7同时对导热层5进行加热，可以缩短导热层5的升温时间，以提高探测器的效率。

进一步地，光纤的终端的纵截面形状为楔形；且楔形的斜边位于光纤的终端的端面处。优选地，楔形的斜边与所述光纤的中心轴之间的夹角为45-75°。即，该光纤的终端的端面为斜面，例如，该斜面向左上方倾斜。即，该楔形的斜边与光纤的中心轴之间的夹角为锐角，该种结构的光纤终端，在光纤的终端与吸光层接触时，可以降低噪声，提高探测器的准确性。且当该夹角范围在45-75°之间时，可以起到较好的降噪效果。

进一步地，光纤的主体部分包括依次包覆的纤芯1、包层2和保护层3；光纤的终端包括依次包覆的纤芯1、包层2、第一吸光层4和导热层5；且温度传感器6设置在导热层5的表面。即，在光纤的端部将保护层3去除，使得光纤的包层2裸露，进而将第一吸光层4包覆于该包层2外，以及将导热层5包覆于第一吸光层4外。而光纤的主体部分仍然保持原有的结构，即纤芯1、包层2和保护层3依次包覆。在光纤的终端将保护层3去除之后，在包层2外贴合第一吸光层4和导热层5，使得第一吸光层4可以较完全的将光线吸收，进而使得第一吸光层4因吸收光线产生的热量与光线的功率较接近，进而使得根据温度传感器6 检测到的导热层5的温度变化获取的光功率较准确，提高了探测器的测量精度。

实施例2：

本实施例与实施例1基本相同，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例1相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例1不同之处：

如图2和3所示，该光功率探测器，还包括：基底层；基底层的一侧与导热层5相连，且温度传感器6设置在基底层的表面；基底层为导热介质层9或表面具有导热性能的基板8。

若基底层为导热介质层9，例如，该导热介质层9的材料为高导热材料。则该光功率探测器(即，探测器)的结构如图2所示，即可将包覆有第一吸光层4和导热层5的光纤终端设置在该导热介质层9的表面；例如，将包覆有第一吸光层4和导热层5的光纤终端附着在该导热介质层9的表面的左侧；将温度传感器6设置在该导热介质层9的表面的右侧。还可将加热器7设置在该导热介质层9的表面的左侧，这样使得加热器7的热量和导热层5的热量传递至导热介质层9之后，导热介质层9吸收的热量向四周扩散，且扩散至温度传感器6的路径相似，使得根据温度传感器6两次检测到导热介质层9的温度变化，能够较准确的校准探测器。

若基底层为表面具有导热性能的基板8，则该光功率探测器(即，探测器)的结构如图3所示，即可将包覆有第一吸光层4和导热层5的光纤终端设置在该基板8的上表面，即将导热层5与该基板8的上表面相连；然后将温度传感器6也设置在该基板8的上表面。还可将加热器 7设置在该基板8的下表面，且该加热器7与包覆有第一吸光层4和导热层5的光纤终端相对；这样使得加热器7的热量和导热层5的热量传递至基板8之后，基板8的表面吸收的热量向四周扩散，且扩散至温度传感器6的路径相似，使得根据温度传感器6两次检测到基板8表面的温度变化，能够较准确的校准探测器。

进一步地，如图4所示，该光功率探测器，还包括：第二吸光层 10；第二吸光层10与基底层的另一侧相连；第二吸光层10的材料为吸光材料。例如，该第二吸光层10的形状为锯齿形。则通过第一吸光层4和第二吸光层10的相互作用，可以将待测光全部吸收，进而使得第一吸光层4和第二吸光层10发热，第一吸光层4的热量传递至导热层5，并经导热层5传递至基板8的表面；第二吸光层10的热量直接传递至基板8的表面，使得基板8吸收的热量与待测光的功率一致，进而能够较准确的测量光功率。

实施例3：

本发明还提供一种利用上述的光功率探测器测量光功率的方法，包括：将待测光入射至光纤，以使光纤的终端的第一吸光层4吸收待测光而升温；第一吸光层4的温度传递至导热层5，以使导热层5的温度升高；根据温度传感器6检测的导热层5的第一次温度变化，获取待测光的功率。由于待测光的功率，与导热层5产生的热量相等；则可根据导热层5因吸收第一吸光层4的热量而使其温度升高，即导热层5的温度变化为第一次温度变化，可根据该第一次温度变化得到导热层5产生的热量，从而可以根据该热量计算得到待测光的功率。该种测量方法简单可靠，且不会因光的发散特性而影响测量结果，故该测量方法能够保证检测结果的高精确度。

进一步地，该光功率测量方法，还包括：移除待测光，对加热器 7进行加热，以使加热器7的热量传递至导热层5；待温度传感器6 检测到导热层5的第二次温度变化与第一次温度变化相同时，记录此时对加热器7进行加热的电流和电压；并停止对加热器7进行加热；基于电流和电压获取加热器7消耗的功率，根据加热器7消耗的功率和待测光的功率对探测器进行校准。利用加热器7对导热层5进行加热，使得导热层5的温度升高；且使得该导热层5的第二次温度变化与利用光线入射光纤时的导热层5的第一次温度变化相同，即导热层 5两次的升高温度相同，即加热器7和待测光所做的功相同。根据导热层5的第二次温度变化与第一次温度变化相同时，记录对加热器7 进行加热的电流和电压；根据该电流和电压可以得到使导热层5的温度变化至与第一次温度变化相同时所需的功率，进而可以将该功率与根据第一次温度变化获取的带测光功率进行比较，即可实现对该探测器的校准，即该探测器具有自校准的功能，提高了该探测器的准确性和可靠性。

另外，还可将光功率探测器安装在真空低温工作环境中。因为在低温条件下，导热层5和基底层(例如，基底层为纯铜)具有极高的热导率，使得探测器的测量结果较精确。或者，将光功率探测器安装在多相平衡恒温工作环境中。因为在多相平衡(例如，水的三相点)恒温环境中，温度可以控制得极为稳定，相应的噪声低，因此可以较灵敏的测量温度变化。

实施例4：

本发明还提供一种上述的光功率探测器的制备方法，包括：在光纤的终端的表面包覆第一吸光层4，以及在第一吸光层4的表面包覆导热层5；在导热层5的表面设置温度传感器6；其中，第一吸光层 4的材料为吸光材料；导热层5的材料为导热材料。例如，采用镀膜的方式将第一吸光层4包覆于光纤的终端的表面，以及采用镀膜的方式将导热层5包覆于第一吸光层4的表面。另外，还可以采用其他的方式将第一吸光层4包覆于光纤的终端的表面，以及将导热层5包覆于第一吸光层4的表面。利用该制备方法得到的探测器与上述探测器带来的有益效果相同，在此不再具述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光功率探测器，其特征在于，包括：光纤、第一吸光层、导热层、基底层、加热器和温度传感器；所述第一吸光层包覆于所述光纤的终端的表面，且所述第一吸光层的材料为吸光材料；所述导热层包覆于所述第一吸光层的表面，且所述导热层的材料为导热材料；所述基底层的一侧与所述导热层相连，其中：

所述基底层为导热介质层，所述光纤的终端附着在所述导热介质层的表面的左侧，所述温度传感器设置在所述导热介质层的表面的右侧，所述加热器设置在所述导热介质层的表面的左侧，使得所述加热器和所述导热层的热量传递至所述温度传感器的路径相似；或者，

所述基底层为表面具有导热性能的基板，所述光纤的终端设置在所述基板的上表面，所述温度传感器设置在所述基板的上表面，所述加热器设置在所述基板的下表面，且所述加热器与所述光纤的终端相对，使得所述加热器和所述导热层的热量传递至所述温度传感器的路径相似。

2.根据权利要求1所述的光功率探测器，其特征在于，所述光纤的终端的纵截面形状为楔形；且所述楔形的斜边位于所述光纤的终端的端面处。

3.根据权利要求2所述的光功率探测器，其特征在于，所述楔形的斜边与所述光纤的中心轴之间的夹角为45-75°。

4.根据权利要求1-3任一项所述的光功率探测器，其特征在于，所述光纤的主体部分包括依次包覆的纤芯、包层和保护层；

所述光纤的终端包括依次包覆的纤芯、包层、所述第一吸光层和所述导热层；且所述温度传感器设置在所述导热层的表面。

5.根据权利要求1所述的光功率探测器，其特征在于，还包括：第二吸光层；

所述第二吸光层与所述基底层的另一侧相连；所述第二吸光层的材料为吸光材料。

6.一种利用权利要求1-5任一项所述的光功率探测器的光功率测量方法，其特征在于，包括：

将待测光入射至光纤，以使所述光纤的终端的第一吸光层吸收所述待测光而升温；

所述第一吸光层的温度传递至导热层，以使所述导热层的温度升高；

根据温度传感器检测的所述导热层的第一次温度变化，获取所述待测光的功率。

7.根据权利要求6所述的光功率测量方法，其特征在于，还包括：

移除待测光，对加热器进行加热，以使所述加热器的热量传递至所述导热层；

待所述温度传感器检测到所述导热层的第二次温度变化与所述第一次温度变化相同时，记录此时对所述加热器进行加热的电流和电压；并停止对所述加热器进行加热；

基于所述电流和电压获取所述加热器消耗的功率，根据所述加热器消耗的功率和所述待测光的功率对探测器进行校准。

8.一种权利要求1-5任一项所述的光功率探测器的制备方法，其特征在于，包括：

在光纤的终端的表面包覆第一吸光层，以及在所述第一吸光层的表面包覆导热层；

在所述导热层的表面设置温度传感器；

其中，所述第一吸光层的材料为吸光材料；所述导热层的材料为导热材料。

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