激光功率計(jì)有哪幾種類型？如何測(cè)量激光功率？

功率是激光器的最重要的參數(shù)之一，因此激光功率計(jì)也就成為激光器制造商和激光器使用者最常用的測(cè)試儀器設(shè)備。激光功率計(jì)有哪幾種類型？有哪些應(yīng)用領(lǐng)域？未來發(fā)展面臨哪些挑戰(zhàn)？今天的這篇文章希望對(duì)大家有用。

幾種典型的激光功率測(cè)量方式

隨著測(cè)量需求的發(fā)展，基于各種激光功率測(cè)量原理的激光功率計(jì)也陸續(xù)出現(xiàn)，包括熱電式、光電二極管式、熱釋電式、流水式、低溫絕對(duì)輻射計(jì)以及近些年出現(xiàn)的光致動(dòng)力學(xué)傳感形式等，圖1所示的各種典型激光功率測(cè)量系統(tǒng)。

圖 1 激光功率測(cè)量原理發(fā)展歷程

1）光電二極管型

早期激光器由于功率較小，用光電型激光功率計(jì)進(jìn)行測(cè)量即能滿足使用要求。光電型激光功率計(jì)具有靈敏和快速的特點(diǎn)，是最早出現(xiàn)的功率計(jì)。

光電二極管型激光功率計(jì)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因?yàn)闆]有利用光的熱效應(yīng)，對(duì)外界環(huán)境溫度的要求比較低，相比于熱效應(yīng)功率計(jì)響應(yīng)速度更快；缺點(diǎn)是更容易受到電噪聲干擾，而且光譜響應(yīng)不夠平坦。

目前用于光功率測(cè)量的光電二極管主要是PIN型光電二極管（如圖2），相比傳統(tǒng)的PN型，這種結(jié)構(gòu)增大了PN結(jié)中間的耗盡層，結(jié)電容小，響應(yīng)速度更快。以 InGaAs為材料的PIN管，由于其低噪聲和高響應(yīng)度等特性，在工業(yè)界和科學(xué)研究領(lǐng)域都可實(shí)現(xiàn)廣泛的應(yīng)用。

圖2 PIN型光電二極管傳感器結(jié)構(gòu)

1987年，自從利用光電二極管測(cè)量激光功率的方法提出，發(fā)展至今，基于光電二極管型光功率的測(cè)量已經(jīng)成為一項(xiàng)十分成熟并廣泛應(yīng)用的技術(shù)。光電二極管型的激光功率計(jì)有很高的分辨力，可以達(dá)到0.01 dBm。目前，實(shí)際生產(chǎn)中常用的光電二極管型光功率計(jì)有硅、鍺、銦鎵砷、碲鎘汞等類型，覆蓋了從可見光到紅外的較大波長(zhǎng)范圍。

2）熱電堆型

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，各種激光器相繼問世。從最開始的固體激光器，到后來出現(xiàn)的氣體激光器、液體激光器、半導(dǎo)體激光器，以及最近的自由電子激光器，隨著被測(cè)量的激光功率不斷增大，功率的測(cè)量范圍超過了光電型功率計(jì)的飽和閾值。因此，出現(xiàn)了可以測(cè)量更大功率的熱電型功率計(jì)。

熱電堆式激光功率計(jì)是熱電型光功率測(cè)量的典型器件，利用的是激光的熱效應(yīng)和金屬中的熱電效應(yīng)，如圖3。熱電型傳感器具有光譜響應(yīng)平坦、相對(duì)不容易達(dá)到飽和、受光照角度和位置影響較小等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是響應(yīng)速度比較慢。

圖3 應(yīng)用于激光功率檢測(cè)的熱電堆傳感器結(jié)構(gòu)

1970年，基于熱電偶以及真空腔的激光功率探測(cè)裝置首次被制出?，F(xiàn)在該類型的激光功率計(jì)不需要絕熱環(huán)境就可以達(dá)到比較高的測(cè)量穩(wěn)定性，在測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)值為?10.000 dBm的850 nm光源時(shí)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差可以達(dá)到0.003 dBm。

3）熱釋電型

熱釋電傳感器基于一些晶體的熱釋電效應(yīng)進(jìn)行傳感，如圖4所示。由于測(cè)量的是溫度變化，熱釋電傳感器一般不適合用來測(cè)量連續(xù)激光?；跓後岆娦?yīng)的功率計(jì)一般稱為熱釋電能量計(jì)，適合測(cè)量單脈沖的能量。

圖4 熱釋電光功率傳感器基本結(jié)構(gòu)

1982年，熱釋電效應(yīng)成功被應(yīng)用于激光功率的測(cè)量。目前熱釋電光功率測(cè)量系統(tǒng)精確度很高，可以在典型值1 mW的測(cè)量條件下達(dá)到0.5%的測(cè)量精度。熱釋電型傳感器的優(yōu)點(diǎn)包括測(cè)量精度比較高、響應(yīng)快、能測(cè)量單脈沖能量，對(duì)微小激光功率也能有比較明顯的響應(yīng)等。

4）低溫絕對(duì)輻射計(jì)

隨著光纖技術(shù)的廣泛應(yīng)用，研究人員也開始關(guān)心微小激光功率的測(cè)量，熱釋電型激光功率計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。除了對(duì)功率范圍的要求之外，在精度提升方面，對(duì)絕對(duì)輻射計(jì)的研究推動(dòng)了激光功率計(jì)測(cè)量基準(zhǔn)的建立，后來出現(xiàn)的低溫絕對(duì)輻射計(jì)（圖5）使激光功率計(jì)的測(cè)量精度上限得到了飛躍性的提升。

圖 5 低溫絕對(duì)輻射計(jì)測(cè)量系統(tǒng)示意圖

1985年，精確度非常高的低溫絕對(duì)輻射計(jì)被提出?，F(xiàn)在的低溫輻射計(jì)在測(cè)量波長(zhǎng)范圍為500 nm~16 μm的激光時(shí)，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度可以達(dá)到0.015%。這種功率計(jì)的缺點(diǎn)是系統(tǒng)比較復(fù)雜且體積龐大，適合于科學(xué)研究，難以實(shí)現(xiàn)廣泛的應(yīng)用。

5）流水式

隨著測(cè)量功率的進(jìn)一步增大，熱電型功率計(jì)會(huì)產(chǎn)生溫漂，吸收面溫度不斷升高也會(huì)引起功率計(jì)的損傷，為了使功率計(jì)的損傷閾值提高，出現(xiàn)了各種針對(duì)大功率測(cè)量的結(jié)構(gòu)。流水式是其中一種基于激光的熱效應(yīng)對(duì)大功率激光進(jìn)行功率測(cè)量的方法，如圖6所示。

圖6 流水式光功率計(jì)示意圖。（a）典型的流水式光功率計(jì)；（b）流水式光功率計(jì)的校準(zhǔn)裝置

與其他光功率計(jì)結(jié)構(gòu)不同，流水式光功率計(jì)是在光吸收材料的內(nèi)部增加了一層水層，水作為比熱容比較大的液體，能有效地帶走激光被材料吸收產(chǎn)生的熱量。水流出加熱區(qū)域之后，通過水的流速和測(cè)量點(diǎn)的水溫就可以計(jì)算得到激光功率。

20世紀(jì)80年代，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院光學(xué)與激光計(jì)量科學(xué)研究所在高能激光的計(jì)量研究中，對(duì)流水式激光功率計(jì)進(jìn)行了深入的研究，通過接收器工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的創(chuàng)新，使激光能量的量程和量值復(fù)現(xiàn)能力提高了上千倍，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。這種類似于水冷裝置的設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)是能測(cè)量很大的功率，最新進(jìn)展是在1~ 10 kW的量程下；其缺點(diǎn)也比較明顯，無法測(cè)量小功率，響應(yīng)速度慢，無法準(zhǔn)確得知激光功率隨著時(shí)間的變化情況。各種典型激光功率計(jì)的特性如表1所示。

6）光致動(dòng)力學(xué)傳感

隨著儀器測(cè)量精度的不斷提高，光致微小力逐漸成為激光功率測(cè)量的重要研究方向。近些年來，由于高精度干涉儀和壓電陶瓷傳感器等高精度位移傳感器的出現(xiàn)，對(duì)輻射壓效應(yīng)的研究不再局限于理論研究，對(duì)光致微小力的研究已逐漸走向了應(yīng)用領(lǐng)域。

2013年，一種基于光致動(dòng)力學(xué)進(jìn)行光功率測(cè)量的方法被提出。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于可以在不吸收激光的情況下進(jìn)行激光功率的測(cè)量，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)激光功率，而且根據(jù)反射鏡的參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)較大波長(zhǎng)范圍及功率范圍的激光功率測(cè)量。由于光致動(dòng)力學(xué)的原理是光在反射過程中和反射鏡之間的作用，相比之前介紹的其他方法，光致動(dòng)力學(xué)傳感的一個(gè)很大優(yōu)勢(shì)是能在幾乎不吸收激光的條件下實(shí)現(xiàn)光功率的測(cè)量，這為激光加工與測(cè)量等應(yīng)用過程中的在線測(cè)量提供了有效的解決方案。

因?yàn)楣庵挛⑿×υ斐傻姆瓷溏R位移很小，研究人員為了測(cè)量出這個(gè)位移提出了幾種新穎的測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（如圖7所示）：懸掛式反射鏡的測(cè)量結(jié)構(gòu)、磁懸浮式結(jié)構(gòu)、彈簧平衡式結(jié)構(gòu)等。

圖 7 典型光致動(dòng)力學(xué)光功率測(cè)量裝置。（a）懸掛式測(cè)量結(jié)構(gòu)；（b）磁懸浮結(jié)構(gòu)的測(cè)量裝置以及校準(zhǔn)裝置示意圖；（c）由電容傳感器集成的彈簧平衡式結(jié)構(gòu)

除了以上典型方法之外，還有一些應(yīng)對(duì)大功率激光功率測(cè)量的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，比如 積分球方法 。這種方法是基于傳統(tǒng)熱電堆型激光功率計(jì)改進(jìn)而來。這種將激光熱作用分散的方法增大了探測(cè)器的損壞閾值，能簡(jiǎn)單快速地測(cè)量大功率連續(xù)激光的功率。

激光功率測(cè)量的典型應(yīng)用

自1961年研究人員利用光電管接收激光照射產(chǎn)生的電壓特性，首次測(cè)量了激光功率，激光功率測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。

1）光通信

遠(yuǎn)距離光纖通信的核心部件之一是光中繼器，在實(shí)際的應(yīng)用中，光信號(hào)在光纖中傳播50 km 以上之后就會(huì)有很明顯的衰減，再經(jīng)過更長(zhǎng)的距離后信號(hào)就會(huì)十分微弱。光中繼器的作用就是檢測(cè)光纖信號(hào)傳輸過程中輸出的微小功率，并將其進(jìn)行放大和整形處理，使其進(jìn)一步傳播到更遠(yuǎn)的距離。光中繼器的核心部件是光功率計(jì)，其分辨力直接影響光通信系統(tǒng)傳播信息的誤碼率，靈敏度則影響光中繼器架設(shè)的距離，功率計(jì)的響應(yīng)時(shí)間直接影響信息傳輸速度的快慢。

目前的光中繼器一般使用光電二極管作為激光功率計(jì)，因?yàn)槠漤憫?yīng)速度快以及波長(zhǎng)檢測(cè)范圍覆蓋通信波段等特性，在實(shí)際工作中應(yīng)用十分廣泛。高精度和大信息量的光纖通信也對(duì)光電二極管的分辨力、靈敏度和響應(yīng)時(shí)間等性能參數(shù)提出了更高的要求。

2）激光加工

在涉及到激光加工的應(yīng)用中，使用的激光功率一般都比較大，各種形式的大功率激光測(cè)量方案，比如流水式、積分球等，都是為了滿足大功率激光的測(cè)量要求。

在一些高精度激光焊接和燒蝕的應(yīng)用中，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)激光的功率以便進(jìn)行調(diào)節(jié)。目前應(yīng)用比較廣泛的方法是使用分光比為10 ^?5^ ~ 10^?6^的分光鏡進(jìn)行分光，這種方式的缺點(diǎn)是在分光過程中，分光鏡會(huì)難以避免地受熱膨脹，造成分光比和光路方向的誤差。

近幾年來，受到廣泛關(guān)注的光致動(dòng)力學(xué)傳感，由于能在不吸收激光的情況下測(cè)量較大的功率，將會(huì)成為一種激光加工在線功率測(cè)量的優(yōu)選解決方案。該測(cè)量方案在測(cè)量較大的激光功率時(shí)，很難保證測(cè)量的絕對(duì)精度，無法得到激光功率比較微小的波動(dòng)，然而激光功率隨時(shí)間的微小變化會(huì)對(duì)被加工工件的質(zhì)量造成比較大的影響，因此在擴(kuò)大測(cè)量范圍的同時(shí)提高測(cè)量精度是激光功率計(jì)的一個(gè)重要研究方向。

3）生物醫(yī)療

生物醫(yī)療領(lǐng)域一個(gè)比較重要的應(yīng)用是用激光進(jìn)行齲齒的預(yù)防。激光預(yù)防齲齒的原理比較復(fù)雜，包括激光熱效應(yīng)殺菌、改變牙齒釉質(zhì)結(jié)構(gòu)和影響釉質(zhì)滲透性等。激光單脈沖能量是該過程中的一個(gè)重要指標(biāo)，使用激光能量計(jì)可以對(duì)激光脈沖能量進(jìn)行評(píng)估，以便在不傷害患者的情況下獲得更好的治療效果。

4）現(xiàn)代國(guó)防

激光由于其高亮度、單色性和方向性好等特點(diǎn)，在國(guó)防領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，包括激光測(cè)距、激光雷達(dá)、激光制導(dǎo)和激光武器等，其中很多應(yīng)用都離不開激光功率計(jì)。

例如，瑞利散射激光雷達(dá)是激光雷達(dá)中的一種，有探測(cè)靈敏度高和時(shí)間空間分辨力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但因容易受到氣溶膠的干擾，一般在30 km以上的高空進(jìn)行工作。這種激光雷達(dá)的一個(gè)重要測(cè)量參數(shù)是回光功率，因此測(cè)量端激光功率計(jì)的分辨力越高，雷達(dá)的時(shí)空分辨力就越高。由于散射光強(qiáng)度一般不是很高，故可以應(yīng)用分辨力較高的激光功率計(jì)，如光電二極管式和熱釋電式傳感器。

5）光纖傳感

布里淵光時(shí)域反射（BOTDR）技術(shù)可以用于測(cè)量光纖中的熔接點(diǎn)、折射率變化、位移以及溫度等參數(shù)。其中參考臂光功率的測(cè)量精度會(huì)直接影響B(tài)OTDR的測(cè)量結(jié)果。參考臂輸出功率的反饋補(bǔ)償結(jié)構(gòu)能夠比較好地解決這一問題。最直接的方法是提升傳感器的精度和響應(yīng)速度，以確保測(cè)量結(jié)果的可靠性。

6）電光元件

電光Q開關(guān)（Q-switch）是超短脈沖激光器的重要組成部分，可以通過阻斷光在諧振腔內(nèi)的反射通路來使激光器進(jìn)入通光和截止兩種狀態(tài)。

除上述應(yīng)用之外，在科學(xué)研究中，激光功率計(jì)還可以用來確定光電二極管的量子效率、測(cè)量微波的頻率、測(cè)量皮秒脈沖激光的脈沖寬度，以及進(jìn)行引力波測(cè)量?jī)x的校準(zhǔn)。此外，激光功率計(jì)還可以應(yīng)用在其他很多需要激光作為光源的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)合。

高精度激光功率測(cè)量面臨的挑戰(zhàn)

對(duì)激光功率計(jì)的評(píng)價(jià)主要是對(duì)傳感器基本參數(shù)的評(píng)價(jià)，包括靈敏度、時(shí)間分辨力、功率分辨力、功率測(cè)量范圍、波長(zhǎng)測(cè)量范圍等。目前激光功率的測(cè)量出現(xiàn)了以下幾種發(fā)展趨勢(shì)：

就波長(zhǎng)范圍而言，針對(duì)光刻和激光療法等應(yīng)用，被測(cè)量激光的波長(zhǎng)范圍從可見光擴(kuò)展到紫外和紅外波段；

就功率值大小而言，對(duì)于光纖傳感中的微弱光信號(hào)，需要對(duì)小至皮瓦級(jí)的功率進(jìn)行測(cè)量，針對(duì)激光加工等，又需要對(duì)高達(dá)數(shù)十千瓦的激光功率進(jìn)行測(cè)量；

就測(cè)量精度而言，相對(duì)測(cè)量不確定度從最早的約10%發(fā)展到0.1%甚至更小。

近年來隨著各種測(cè)量原理的不斷完善，以及新的測(cè)量需求出現(xiàn)，現(xiàn)在的激光功率計(jì)研究已經(jīng)不再是以制作出能夠投入使用的光功率計(jì)為目標(biāo)，而是朝向高精度測(cè)量發(fā)展，使其能適應(yīng)激光功率檢測(cè)的高精度要求。

近幾年來，外場(chǎng)激光功率測(cè)量已經(jīng)成為了一個(gè)熱門的研究方向。實(shí)際應(yīng)用中由于雜散光的干擾，實(shí)現(xiàn)高精度的外場(chǎng)激光功率測(cè)量會(huì)比較困難，需要使用共模抑制或相干采樣等方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。

此外，一些激光傳感技術(shù)的發(fā)展，也使得微弱激光信號(hào)的測(cè)量成為一個(gè)重要的研究方向。在測(cè)量mW至pW級(jí)的微弱激光時(shí)，光探頭與光纖的功率耦合、寄生電容等多種因素都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成很大的影響。在一些特殊應(yīng)用中，還需要激光功率計(jì)有比較好的抗電磁干擾能力，以適應(yīng)本身帶有較強(qiáng)電磁場(chǎng)的工作環(huán)境。近些年來一些新的校準(zhǔn)方法的出現(xiàn)，也使光功率計(jì)測(cè)量精度有了更大的上升空間。

由此可見，高精度光功率測(cè)量目前面臨以下幾個(gè)挑戰(zhàn)：

一是在降低測(cè)量不確定度的同時(shí)提升測(cè)量范圍，包括功率以及波長(zhǎng)的范圍；

二是在激光加工等需要進(jìn)行功率調(diào)整的場(chǎng)合，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)光功率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；

三是如何提升光功率計(jì)的抗干擾能力，包括雜散光和電磁噪聲的干擾；

四是基于熱效應(yīng)的光功率計(jì)需要溯源到更高精度的功率計(jì)。

小 結(jié)

激光功率計(jì)廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究及生產(chǎn)實(shí)際中的各個(gè)領(lǐng)域。隨著高能激光的應(yīng)用和超快激光 的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的激光功率計(jì)已經(jīng)難以滿足新的激光應(yīng)用對(duì)功率測(cè)量的需求，在靈敏度、響應(yīng)速度、抗干擾能力等方面都亟待提升。除了低溫輻射計(jì)之外，其他應(yīng)用更加廣泛的激光功率計(jì)都難以達(dá)到精密測(cè)量的要求，導(dǎo)致其他需要激光功率計(jì)作為基礎(chǔ)的應(yīng)用發(fā)展較為滯后。相信隨著儀器科學(xué)的研發(fā)，未來我國(guó)在高精度激光功率計(jì)領(lǐng)域會(huì)取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，并推動(dòng)激光相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。