淺析如何選取激光功率計(jì)和能量計(jì)

激光功率計(jì)，激光能量計(jì)使用場(chǎng)景

激光功率計(jì)和能量計(jì)主要用來測(cè)量光源的輸出。無論光發(fā)射是來源于弱光源（如熒光），還是來源于高能量的脈沖激光器，功率計(jì)和能量計(jì)都是實(shí)驗(yàn)室、生產(chǎn)部門或是工作現(xiàn)場(chǎng)等多種應(yīng)用環(huán)境中必不可少的工具。

激光功率計(jì)及能量計(jì)的區(qū)別

雖然激光功率計(jì)和能量計(jì)是分別提供的，但隨著能夠適用大量不同類型的光學(xué)傳感器的通用型儀表盤或顯示裝置的發(fā)展，它們也被合起來稱作單獨(dú)的一類儀器——功率和能量計(jì)，或PEM。儀器所采用的光學(xué)傳感器的類型，決定了其能測(cè)量光功率還是光能量，通常單位分別瓦特（W）或焦耳（J）。

具體來講，激光功率計(jì)能夠測(cè)量連續(xù)波（CW）或者重復(fù)脈沖光源，其所使用的傳感器通常是熱電堆或光電二極管。激光能量計(jì)則通常用于測(cè)量脈沖激光，即單脈沖或者重復(fù)脈沖光源，其所使用的傳感器包括熱釋電、熱電堆，或者帶有專門為測(cè)量脈沖光源而設(shè)計(jì)的電路的光電二極管。

系統(tǒng)配置

一些制造商將功率或能量計(jì)分為具有控制和示值讀數(shù)功能的測(cè)量部分（或儀表盤）和傳感器部分（也稱為探測(cè)器或探頭），兩者結(jié)合在一起就組成一套“測(cè)量系統(tǒng)”。另一些廠商將這兩者統(tǒng)稱為測(cè)量?jī)x。無論哪種分類方式，傳感器都存儲(chǔ)有校準(zhǔn)信息，儀表盤則測(cè)量傳感器的輸出電流，并參考校準(zhǔn)表來輸出數(shù)據(jù)。

在某些配置中，儀表盤會(huì)作為探測(cè)器與用戶之間的接口，通過RS-232或者USB連接方式直接向電腦傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)，在這種情況下，顯示裝置就不再是必需的了。測(cè)量數(shù)據(jù)可能包括功率、差值、總和、線性、對(duì)數(shù)值和幾個(gè)通道同時(shí)衰減的曲線。大部分PEM儀表盤是數(shù)字式的，但是對(duì)于功率只有小幅波動(dòng)的應(yīng)用而言，模擬式測(cè)試儀就足以勝任了。

傳感器的選擇比較復(fù)雜。目前市場(chǎng)上應(yīng)用的三種主要傳感器類型有：光電二極管、熱傳感器和熱釋電傳感器。光電二極管傳感器由光電二極管和ND）濾光片組成，以確保入射到探測(cè)器上的功率能夠保證傳感器線性工作，其中光電二極管通常選用硅（Si）、鍺（Ge）或銦砷化鎵等材料，每種光電二極管具有不同的峰值波長(zhǎng)和響應(yīng)范圍。每個(gè)光電二極管在不同的波長(zhǎng)處具有不同的響應(yīng)度。響應(yīng)度的單位是A/W，代表了傳感器將入射光轉(zhuǎn)換為電流的效率。具有快速響應(yīng)時(shí)間的傳感器對(duì)波長(zhǎng)敏感，因此最適用于測(cè)量低功率激光。

熱傳感器通過將入射光轉(zhuǎn)換成熱能來測(cè)量功率或能量。熱傳感器在186nm~10.6μm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有平坦的光譜響應(yīng)，因此其適用于多波長(zhǎng)或者非單色光的測(cè)量。光電二極管也可以測(cè)量紫外（UV）到紅外（IR）波段的波長(zhǎng)，但是其在不同波長(zhǎng)處具有不同的響應(yīng)度，因此必須將激光波長(zhǎng)輸入測(cè)量?jī)x以獲得正確的讀數(shù)。在1800 nm或更長(zhǎng)的波長(zhǎng)處，熱探測(cè)器通常是唯一的選擇。熱傳感器可以承受高功率激光，但是如果功率變化范圍較大的話，則需要幾秒鐘才能達(dá)到平衡。由于不像光電二極管那樣靈敏，因此熱傳感器不適合用于低功率測(cè)量。

熱釋電傳感器通過將光脈沖能量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)來測(cè)量脈沖能量。熱釋電傳感器能響應(yīng)較寬的波長(zhǎng)范圍，但是其響應(yīng)曲線不如熱傳感器那么平坦。熱釋電傳感器只能測(cè)量脈沖光源，并有最小帶寬要求以使傳感器能夠“看到”脈沖。

目前市場(chǎng)上的許多功率和能量計(jì)都兼容這三類傳感器。如果將通用型儀表盤和功率傳感器一起使用，這套裝置就是功率計(jì)；如果將通用型儀表盤和能量傳感器一起使用，這套裝置就是能量計(jì)。

選擇何種傳感器？

這部分內(nèi)容將介紹哪些類型的傳感器可用于測(cè)量功率，哪些可用于測(cè)量能量，以及它們的測(cè)量范圍。用于測(cè)量功率的熱電堆探測(cè)器往往面積較大，具有較高的損傷閾值，功率測(cè)量范圍從毫瓦到千瓦。基于半導(dǎo)體的光電二極管探測(cè)器不但體積較小，而且靈敏度高，功率測(cè)量范圍從皮瓦到毫瓦。

這三種類型的探測(cè)器都可用于測(cè)量能量。熱電堆探測(cè)器是毫秒（ms）量級(jí)單脈沖測(cè)量、或者每個(gè)脈沖能量達(dá)幾焦耳的高能量光束測(cè)量的理想選擇。熱釋電探測(cè)器最適合短脈沖（脈寬從fs到ms）和寬能量范圍（從50nJ到焦耳量級(jí)）的測(cè)量。光電探測(cè)器則適合測(cè)量低能量（從fJ到mJ量級(jí)）的短脈沖（脈寬從fs到ms）。每個(gè)探頭和儀器模塊的關(guān)鍵指標(biāo)的性能范圍有較大差異，用戶在選擇之前，最好要提前與產(chǎn)品專家了解具體情況。

光電二極管探測(cè)器可與積分球一起使用，以獲得對(duì)光源的均勻和準(zhǔn)確測(cè)量。

關(guān)鍵指標(biāo)

選擇PEM時(shí)首先要考慮的指標(biāo)是傳感器的波長(zhǎng)范圍以及對(duì)功率和能量的測(cè)量范圍。測(cè)量?jī)x應(yīng)該能夠在未飽和的狀態(tài)下給出測(cè)量值。通常飽和電流在10mA量級(jí)（峰值響應(yīng)處的功率約為10mW）。高功率的測(cè)量通常采用積分球或光衰減器來降低飽和。系統(tǒng)的另一個(gè)重要指標(biāo)是最低可測(cè)量的功率/能量水平處的信噪比。典型的噪聲水平在幾mW量級(jí)，高靈敏度模塊可測(cè)量的功率低至1μW。

在挑選了合適的探頭來測(cè)量激光或?qū)拵Ч庠春螅乱粋€(gè)要考慮的問題是破壞閾值。用戶需要了解被測(cè)量的功率和能量密度，以免探頭被破壞。這需要了解光斑尺寸以及能量分布。高斯光束在光束頂部具有非常高的功率/能量密度。

脈寬是測(cè)量脈沖激光時(shí)需要考慮的一個(gè)關(guān)鍵因素。大多數(shù)傳感器具有不同的基于峰值功率的破壞閾值；當(dāng)脈沖能量相同時(shí)，短脈沖相比較而言將具有高得多的峰值功率，更容易破壞傳感器。對(duì)于高于破壞閾值的應(yīng)用，用戶可采用的衰減手段包括分光器、漫反射和中性濾光片等。

另一個(gè)重要的指標(biāo)是不確定度，這關(guān)系到準(zhǔn)確性和一致性。大多數(shù)公司根據(jù)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)協(xié)會(huì)（NIST）制定的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)提供了基于標(biāo)準(zhǔn)物理常數(shù)的不確定度，例如水中的溫升。準(zhǔn)確度的誤差應(yīng)以百分比的形式對(duì)每個(gè)傳感器和顯示器進(jìn)行標(biāo)注。

每種型號(hào)的探頭和測(cè)量?jī)x器的關(guān)鍵指標(biāo)的工作范圍相差巨大。選擇的關(guān)鍵是要使激光器或光源的輸出參數(shù)與探測(cè)器和儀器的指標(biāo)相匹配，即測(cè)量?jī)x器的指標(biāo)應(yīng)該覆蓋激光器的輸出參數(shù)。

權(quán)衡與取舍

選擇PEM時(shí)需要進(jìn)行許多權(quán)衡與取舍。例如，如果用戶需要測(cè)量光束直徑小的高功率激光，就需要具有高損傷閾值的探頭。但是具有高損傷閾值的PEM的靈敏度并不高，所以無法用同一個(gè)探頭讀取極高和極低的功率。用于更高讀數(shù)的能量探測(cè)器也會(huì)碰到同樣的情況。此外，某些特定產(chǎn)品可以測(cè)量單個(gè)脈沖的高能量，但是它們只能在低重復(fù)頻率下工作，不能在高功率下應(yīng)用。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，用戶需要根據(jù)具體情況進(jìn)行一定的權(quán)衡。