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如何選取激光功率計和能量計？

2011-05-12

如何選取激光功率計和能量計？

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激光功率和能量計主要用來測量光源的輸出。無論光發射是來源于弱光源（如熒光），還是來源于高能量的脈沖激光器，功率和能量計都是實驗室、生產部門或是工作現場等多種應用環境中必不可少的工具。

雖然功率計和能量計是分別提供的，但隨著能夠適用大量不同類型的光學傳感器的通用型儀表盤或顯示裝置的發展，它們也被合起來稱作單獨的一類儀器——功率和能量計，或PEM。儀器所采用的光學傳感器的類型，決定了其能測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，功率計能夠測量連續波（CW）或者重復脈沖光源，其所使用的傳感器通常是熱電堆或光電二極管。能量計則通常用于測量脈沖激光，即單脈沖或者重復脈沖光源，其所使用的傳感器包括熱釋電、熱電堆，或者帶有專門為測量脈沖光源而設計的電路的光電二極管。

系統配置

一些制造商將功率或能量計分為具有控制和示值讀數功能的測量部分（或儀表盤）和傳感器部分（也稱為探測器或探頭），兩者結合在一起就組成一套“測量系統”。另一些廠商將這兩者統稱為測量儀。無論哪種分類方式，傳感器都存儲有校準信息，儀表盤則測量傳感器的輸出電流，并參考校準表來輸出數據。

在某些配置中，儀表盤會作為探測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量數據，在這種情況下，顯示裝置就不再是必需的了。測量數據可能包括功率、差值、總和、線性、對數值和幾個通道同時衰減的曲線。大部分PEM儀表盤是數字式的，但是對于功率只有小幅波動的應用而言，模擬式測試儀就足以勝任了。

傳感器的選擇比較復雜。目前市場上應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和響應范圍。每個光電二極管在不同的波長處具有不同的響應度。響應度的單位是A/W，代表了傳感器將入射光轉換為電流的效率。具有快速響應時間的傳感器對波長敏感，因此適用于測量低功率激光。

熱傳感器通過將入射光轉換成熱能來測量功率或能量。熱傳感器在186nm~10.6μm的波長范圍內具有平坦的光譜響應，因此其適用于多波長或者非單色光的測量。光電二極管也可以測量紫外（UV）到紅外（IR）波段的波長，但是其在不同波長處具有不同的響應度，因此必須將激光波長輸入測量儀以獲得正確的讀數。在1800 nm或更長的波長處，熱探測器通常是的選擇。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量。

熱釋電傳感器通過將光脈沖能量轉換成電壓信號來測量脈沖能量。熱釋電傳感器能響應較寬的波長范圍，但是其響應曲線不如熱傳感器那么平坦。熱釋電傳感器只能測量脈沖光源，并有小帶寬要求以使傳感器能夠“看到”脈沖。

目前市場上的許多功率和能量計都兼容這三類傳感器（見圖1）。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；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。

選擇何種傳感器？

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

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

光電二極管探測器可與積分球一起使用，以獲得對光源的均勻和準確測量。Lasermet公司帶有積分球的光電二極管探頭，通常能夠測量的功率小至1μW；緊湊型探頭能夠測量的功率小至1nW，光束可以直接照射到這種光電二極管上（見圖2）。熱探頭通常可以測量的功率低至1mW。

對于高功率光源，Lasermet公司的光電二極管探頭通常可以測量的大功率為1W，如果采用濾光片截止掉90％或者99％的光束（盡管這將引起反射并且會影響測量的準確度），則可以測量更高的功率。熱探頭可以測量的功率高達20W，特制的熱探頭可以測量功率高達100W甚至幾千瓦的激光。

光電二極管擁有快的響應速度。Lasermet公司的IPDH-10S和IPDH-10C光電二極管與ADM1000一起使用時，頻率響應可達到400kHz，這比市場上其他任何探測器的響應速度大約快1000倍。這樣的響應速度能夠分離和顯示單脈沖波形，并且可以測量出單脈沖的能量。

光電二極管也提供了更高的熱穩定性，而熱探測器則容易受到熱干擾和熱漂移的影響，因此更難準確使用。目前市場上已經有一些熱探測器結合了溫度穩定技術，從而大大減少了熱漂移。

關鍵指標

選擇PEM時首先要考慮的指標是傳感器的波長范圍以及對功率和能量的測量范圍。測量儀應該能夠在未飽和的狀態下給出測量值。通常飽和電流在10mA量級（峰值響應處的功率約為10mW）。高功率的測量通常采用積分球或光衰減器來降低飽和。系統的另一個重要指標是低可測量的功率/能量水平處的信噪比。典型的噪聲水平在幾mW量級，高靈敏度模塊可測量的功率低至1μW。

在挑選了合適的探頭來測量激光或寬帶光源后，下一個要考慮的問題是破壞閾值。用戶需要了解被測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。

脈寬是測量脈沖激光時需要考慮的一個關鍵因素。大多數傳感器具有不同的基于峰值功率的破壞閾值；當脈沖能量相同時，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。對于高于破壞閾值的應用，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。

另一個重要的指標是不確定度，這關系到準確性和一致性。大多數公司根據美國標準技術協會（NIST）制定的標準對其儀器進行校準，這些標準提供了基于標準物理常數的不確定度，例如水中的溫升。準確度的誤差應以百分比的形式對每個傳感器和顯示器進行標注（見圖3）。

每種型號的探頭和測量儀器的關鍵指標的工作范圍相差巨大。選擇的關鍵是要使激光器或光源的輸出參數與探測器和儀器的指標相匹配，即測量儀器的指標應該覆蓋激光器的輸出參數。

權衡與取舍

選擇PEM時需要進行許多權衡與取舍。例如，如果用戶需要測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，所以無法用同一個探頭讀取極高和極低的功率。用于更高讀數的能量探測器也會碰到同樣的情況。此外，某些特定產品可以測量單個脈沖的高能量，但是它們只能在低重復頻率下工作，不能在高功率下應用。因此，在實際應用中，用戶需要根據具體情況進行一定的權衡。

雖然PEM已經出現了很長一段時間，但激光和太赫茲源技術的新進展，已經為光源測量創造了新的挑戰，這些測量需要獨特的傳感器和儀器。自從高重復頻率DPSS和光纖激光器出現以來，測量和控制重復頻率為100kHz甚至更高頻率的脈沖激光器的輸出，曾一度讓人們面臨很大的困難。Gentec-EO公司宣稱其Mach 5是一款能夠很好解決上述需求的數字焦耳計，希望廣大用戶真正能從中受益（見圖4）。

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