激光功率計有哪幾種類型？如何測量激光功率？

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

幾種典型的激光功率測量方式

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

圖 1 激光功率測量原理發(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進行測量即能滿足使用要求。光電型激光功率計具有靈敏和快速的特點，是最早出現(xiàn)的功率計。

光電二極管型激光功率計的結(jié)構簡單，因為沒有利用光的熱效應，對外界環(huán)境溫度的要求比較低，相比于熱效應功率計響應速度更快；缺點是更容易受到電噪聲干擾，而且光譜響應不夠平坦。

目前用于光功率測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)構增大了PN結(jié)中間的耗盡層，結(jié)電容小，響應速度更快。以 InGaAs為材料的PIN管，由于其低噪聲和高響應度等特性，在工業(yè)界和科學研究領域都可實現(xiàn)廣泛的應用。

圖2 PIN型光電二極管傳感器結(jié)構

1987年，自從利用光電二極管測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量已經(jīng)成為一項十分成熟并廣泛應用的技術。光電二極管型的激光功率計有很高的分辨力，可以達到0.01 dBm。目前，實際生產(chǎn)中常用的光電二極管型光功率計有硅、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范圍。

2）熱電堆型

隨著激光技術的發(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、半導體激光器，以及最近的自由電子激光器，隨著被測量的激光功率不斷增大，功率的測量范圍超過了光電型功率計的飽和閾值。因此，出現(xiàn)了可以測量更大功率的熱電型功率計。

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

圖3 應用于激光功率檢測的熱電堆傳感器結(jié)構

1970年，基于熱電偶以及真空腔的激光功率探測裝置首次被制出。現(xiàn)在該類型的激光功率計不需要絕熱環(huán)境就可以達到比較高的測量穩(wěn)定性，在測量標準值為?10.000 dBm的850 nm光源時測量的標準偏差可以達到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進行傳感，如圖4所示。由于測量的是溫度變化，熱釋電傳感器一般不適合用來測量連續(xù)激光。基于熱釋電效應的功率計一般稱為熱釋電能量計，適合測量單脈沖的能量。

圖4 熱釋電光功率傳感器基本結(jié)構

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

4）低溫絕對輻射計

隨著光纖技術的廣泛應用，研究人員也開始關心微小激光功率的測量，熱釋電型激光功率計應運而生。除了對功率范圍的要求之外，在精度提升方面，對絕對輻射計的研究推動了激光功率計測量基準的建立，后來出現(xiàn)的低溫絕對輻射計（圖5）使激光功率計的測量精度上限得到了飛躍性的提升。

圖 5 低溫絕對輻射計測量系統(tǒng)示意圖

1985年，精確度非常高的低溫絕對輻射計被提出。現(xiàn)在的低溫輻射計在測量波長范圍為500 nm~16 μm的激光時，相對標準不確定度可以達到0.015%。這種功率計的缺點是系統(tǒng)比較復雜且體積龐大，適合于科學研究，難以實現(xiàn)廣泛的應用。

5）流水式

隨著測量功率的進一步增大，熱電型功率計會產(chǎn)生溫漂，吸收面溫度不斷升高也會引起功率計的損傷，為了使功率計的損傷閾值提高，出現(xiàn)了各種針對大功率測量的結(jié)構。流水式是其中一種基于激光的熱效應對大功率激光進行功率測量的方法，如圖6所示。

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

與其他光功率計結(jié)構不同，流水式光功率計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，通過水的流速和測量點的水溫就可以計算得到激光功率。

20世紀80年代，中國計量科學研究院光學與激光計量科學研究所在高能激光的計量研究中，對流水式激光功率計進行了深入的研究，通過接收器工作原理和結(jié)構設計等方面的創(chuàng)新，使激光能量的量程和量值復現(xiàn)能力提高了上千倍，達到了國際先進水平。這種類似于水冷裝置的設計的最大優(yōu)點是能測量很大的功率，最新進展是在1~ 10 kW的量程下；其缺點也比較明顯，無法測量小功率，響應速度慢，無法準確得知激光功率隨著時間的變化情況。各種典型激光功率計的特性如表1所示。

6）光致動力學傳感

隨著儀器測量精度的不斷提高，光致微小力逐漸成為激光功率測量的重要研究方向。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)，對輻射壓效應的研究不再局限于理論研究，對光致微小力的研究已逐漸走向了應用領域。

2013年，一種基于光致動力學進行光功率測量的方法被提出。這種方法的優(yōu)勢在于可以在不吸收激光的情況下進行激光功率的測量，實時監(jiān)測激光功率，而且根據(jù)反射鏡的參數(shù)，可以實現(xiàn)較大波長范圍及功率范圍的激光功率測量。由于光致動力學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，光致動力學傳感的一個很大優(yōu)勢是能在幾乎不吸收激光的條件下實現(xiàn)光功率的測量，這為激光加工與測量等應用過程中的在線測量提供了有效的解決方案。

因為光致微小力造成的反射鏡位移很小，研究人員為了測量出這個位移提出了幾種新穎的測量系統(tǒng)結(jié)構（如圖7所示）：懸掛式反射鏡的測量結(jié)構、磁懸浮式結(jié)構、彈簧平衡式結(jié)構等。

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

除了以上典型方法之外，還有一些應對大功率激光功率測量的改進結(jié)構，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改進而來。這種將激光熱作用分散的方法增大了探測器的損壞閾值，能簡單快速地測量大功率連續(xù)激光的功率。

激光功率測量的典型應用

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，首次測量了激光功率，激光功率測量應用領域不斷拓展。

1）光通信

遠距離光纖通信的核心部件之一是光中繼器，在實際的應用中，光信號在光纖中傳播50 km 以上之后就會有很明顯的衰減，再經(jīng)過更長的距離后信號就會十分微弱。光中繼器的作用就是檢測光纖信號傳輸過程中輸出的微小功率，并將其進行放大和整形處理，使其進一步傳播到更遠的距離。光中繼器的核心部件是光功率計，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的距離，功率計的響應時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，因為其響應速度快以及波長檢測范圍覆蓋通信波段等特性，在實際工作中應用十分廣泛。高精度和大信息量的光纖通信也對光電二極管的分辨力、靈敏度和響應時間等性能參數(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量要求。

在一些高精度激光焊接和燒蝕的應用中，需要實時監(jiān)測激光的功率以便進行調(diào)節(jié)。目前應用比較廣泛的方法是使用分光比為10 ^?5^ ~ 10^?6^的分光鏡進行分光，這種方式的缺點是在分光過程中，分光鏡會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，受到廣泛關注的光致動力學傳感，由于能在不吸收激光的情況下測量較大的功率，將會成為一種激光加工在線功率測量的優(yōu)選解決方案。該測量方案在測量較大的激光功率時，很難保證測量的絕對精度，無法得到激光功率比較微小的波動，然而激光功率隨時間的微小變化會對被加工工件的質(zhì)量造成比較大的影響，因此在擴大測量范圍的同時提高測量精度是激光功率計的一個重要研究方向。

3）生物醫(yī)療

生物醫(yī)療領域一個比較重要的應用是用激光進行齲齒的預防。激光預防齲齒的原理比較復雜，包括激光熱效應殺菌、改變牙齒釉質(zhì)結(jié)構和影響釉質(zhì)滲透性等。激光單脈沖能量是該過程中的一個重要指標，使用激光能量計可以對激光脈沖能量進行評估，以便在不傷害患者的情況下獲得更好的治療效果。

4）現(xiàn)代國防

激光由于其高亮度、單色性和方向性好等特點，在國防領域獲得了廣泛的應用，包括激光測距、激光雷達、激光制導和激光武器等，其中很多應用都離不開激光功率計。

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

5）光纖傳感

布里淵光時域反射（BOTDR）技術可以用于測量光纖中的熔接點、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量精度會直接影響B(tài)OTDR的測量結(jié)果。參考臂輸出功率的反饋補償結(jié)構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速度，以確保測量結(jié)果的可靠性。

6）電光元件

電光Q開關（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入通光和截止兩種狀態(tài)。

除上述應用之外，在科學研究中，激光功率計還可以用來確定光電二極管的量子效率、測量微波的頻率、測量皮秒脈沖激光的脈沖寬度，以及進行引力波測量儀的校準。此外，激光功率計還可以應用在其他很多需要激光作為光源的實驗場合。

高精度激光功率測量面臨的挑戰(zhàn)

對激光功率計的評價主要是對傳感器基本參數(shù)的評價，包括靈敏度、時間分辨力、功率分辨力、功率測量范圍、波長測量范圍等。目前激光功率的測量出現(xiàn)了以下幾種發(fā)展趨勢：

就波長范圍而言，針對光刻和激光療法等應用，被測量激光的波長范圍從可見光擴展到紫外和紅外波段；

就功率值大小而言，對于光纖傳感中的微弱光信號，需要對小至皮瓦級的功率進行測量，針對激光加工等，又需要對高達數(shù)十千瓦的激光功率進行測量；

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

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

近幾年來，外場激光功率測量已經(jīng)成為了一個熱門的研究方向。實際應用中由于雜散光的干擾，實現(xiàn)高精度的外場激光功率測量會比較困難，需要使用共模抑制或相干采樣等方法對信號進行處理。

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

由此可見，高精度光功率測量目前面臨以下幾個挑戰(zhàn)：

一是在降低測量不確定度的同時提升測量范圍，包括功率以及波長的范圍；

二是在激光加工等需要進行功率調(diào)整的場合，如何實現(xiàn)對光功率的實時監(jiān)測；

三是如何提升光功率計的抗干擾能力，包括雜散光和電磁噪聲的干擾；

四是基于熱效應的光功率計需要溯源到更高精度的功率計。

小 結(jié)

激光功率計廣泛應用于科學研究及生產(chǎn)實際中的各個領域。隨著高能激光的應用和超快激光 的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的激光功率計已經(jīng)難以滿足新的激光應用對功率測量的需求，在靈敏度、響應速度、抗干擾能力等方面都亟待提升。除了低溫輻射計之外，其他應用更加廣泛的激光功率計都難以達到精密測量的要求，導致其他需要激光功率計作為基礎的應用發(fā)展較為滯后。相信隨著儀器科學的研發(fā)，未來我國在高精度激光功率計領域會取得長足的進步，并推動激光相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。