如何选取激光功率计和能量计 功率计技术指标

激光功率和能量计主要用来测量光源的输出。无论光发射是来源于弱光源（如荧光），还是来源于高能量的脉冲激光器，功率和能量计都是实验室、生产部门或是工作现场等多种应用环境中必不可少的工具。

虽然功率计和能量计是分别提供的，但随着能够适用大量不同类型的光学传感器的通用型仪表盘或显示装置的发展，它们也被合起来称作单独的一类仪器——功率和能量计，或PEM。仪器所采用的光学传感器的类型，决定了其能测量光功率还是光能量，通常单位分别瓦特（W）或焦耳（J）。具体来讲，功率计能够测量连续波（CW）或者重复脉冲光源，其所使用的传感器通常是热电堆或光电二极管。能量计则通常用于测量脉冲激光，即单脉冲或者重复脉冲光源，其所使用的传感器包括热释电、热电堆，或者带有专门为测量脉冲光源而设计的电路的光电二极管。

系统配置

一些制造商将功率或能量计分为具有控制和示值读数功能的测量部分（或仪表盘）和传感器部分（也称为探测器或探头），两者结合在一起就组成一套“测量系统”。另一些厂商将这两者统称为测量仪。无论哪种分类方式，传感器都存储有校准信息，仪表盘则测量传感器的输出电流，并参考校准表来输出数据。

在某些配置中，仪表盘会作为探测器与用户之间的接口，通过RS-232或者USB连接方式直接向电脑传输测量数据，在这种情况下，显示装置就不再是必需的了。测量数据可能包括功率、差值、总和、线性、对数值和几个通道同时衰减的曲线。大部分PEM仪表盘是数字式的，但是对于功率只有小幅波动的应用而言，模拟式测试仪就足以胜任了。

传感器的选择比较复杂。目前市场上应用的三种主要传感器类型有：光电二极管、热传感器和热释电传感器。光电二极管传感器由光电二极管和ND）滤光片组成，以确保入射到探测器上的功率能够保证传感器线性工作，其中光电二极管通常选用硅（Si）、锗（Ge）或铟砷化镓等材料，每种光电二极管具有不同的峰值波长和响应范围。每个光电二极管在不同的波长处具有不同的响应度。响应度的单位是A/W，代表了传感器将入射光转换为电流的效率。具有快速响应时间的传感器对波长敏感，因此较为适用于测量低功率激光。

热传感器通过将入射光转换成热能来测量功率或能量。热传感器在186nm~10.6μm的波长范围内具有平坦的光谱响应，因此其适用于多波长或者非单色光的测量。光电二极管也可以测量紫外（UV）到红外（IR）波段的波长，但是其在不同波长处具有不同的响应度，因此必须将激光波长输入测量仪以获得正确的读数。在1800 nm或更长的波长处，热探测器通常是唯一的选择。热传感器可以承受高功率激光，但是如果功率变化范围较大的话，则需要几秒钟才能达到平衡。由于不像光电二极管那样灵敏，因此热传感器不适合用于低功率测量。

热释电传感器通过将光脉冲能量转换成电压信号来测量脉冲能量。热释电传感器能响应较宽的波长范围，但是其响应曲线不如热传感器那么平坦。热释电传感器只能测量脉冲光源，并有最小带宽要求以使传感器能够“看到”脉冲。

目前市场上的许多功率和能量计都兼容这三类传感器（见图1）。如果将通用型仪表盘和功率传感器一起使用，这套装置就是功率计；如果将通用型仪表盘和能量传感器一起使用，这套装置就是能量计。

图 1：Thorlabs公司为自由空间和光纤应用设计的PM100D功率计，可以兼容超过25种不同的功率和能量传感器。根据所选取的传感器，其可测量的光功率范围为100pW~250W，可测量的能量范围为3μJ~15J。当与新型超紧凑的S150C系列光纤传感器一起使用时，PM100D就变成了一款紧凑便携的光纤功率计，是现场和实验室应用的理想选择。

选择何种传感器？

这部分内容将介绍哪些类型的传感器可用于测量功率，哪些可用于测量能量，以及它们的测量范围。用于测量功率的热电堆探测器往往面积较大，具有较高的损伤阈值，功率测量范围从毫瓦到千瓦。基于半导体的光电二极管探测器不但体积较小，而且灵敏度高，功率测量范围从皮瓦到毫瓦。

这三种类型的探测器都可用于测量能量。热电堆探测器是毫秒（ms）量级单脉冲测量、或者每个脉冲能量达几焦耳的高能量光束测量的理想选择。热释电探测器比较适合短脉冲（脉宽从fs到ms）和宽能量范围（从50nJ到焦耳量级）的测量。光电探测器则适合测量低能量（从fJ到mJ量级）的短脉冲（脉宽从fs到ms）。每个探头和仪器模块的关键指标的性能范围有较大差异，用户在选择之前，可以要提前与产品专家了解具体情况。

光电二极管探测器可与积分球一起使用，以获得对光源的均匀和准确测量。Lasermet公司带有积分球的光电二极管探头，通常能够测量的功率小至1μW；紧凑型探头能够测量的功率小至1nW，光束可以直接照射到这种光电二极管上（见图2）。热探头通常可以测量的功率低至1mW。

图2：Lasermet公司的手持式ADM1000数字式测量仪，通过热探头和光电二极管探头，能在较宽的波长范围内测量功率和能量，并可以选择是否配备积分球。配备的加速电路可在700ns内获得最终读数10％以内的响应度。ADM1000可用于测量、显示高达400kHz的脉冲波形。

对于高功率光源，Lasermet公司的光电二极管探头通常可以测量的最大功率为1W，如果采用滤光片截止掉90％或者99％的光束（尽管这将引起反射并且会影响测量的准确度），则可以测量更高的功率。热探头可以测量的功率高达20W，特制的热探头可以测量功率高达100W甚至几千瓦的激光。

光电二极管拥有较快的响应速度。Lasermet公司的IPDH-10S和IPDH-10C光电二极管与ADM1000一起使用时，频率响应可达到400kHz，这比市场上其他任何探测器的响应速度大约快1000倍。这样的响应速度能够分离和显示单脉冲波形，并且可以测量出单脉冲的能量。

光电二极管也提供了更高的热稳定性，而热探测器则容易受到热干扰和热漂移的影响，因此更难准确使用。目前市场上已经有一些热探测器结合了温度稳定技术，从而大大减少了热漂移。

关键指标

选择PEM时首先要考虑的指标是传感器的波长范围以及对功率和能量的测量范围。测量仪应该能够在未饱和的状态下给出测量值。通常饱和电流在10mA量级（峰值响应处的功率约为10mW）。高功率的测量通常采用积分球或光衰减器来降低饱和。系统的另一个重要指标是最低可测量的功率/能量水平处的信噪比。典型的噪声水平在几mW量级，高灵敏度模块可测量的功率低至1μW。

在挑选了合适的探头来测量激光或宽带光源后，下一个要考虑的问题是破坏阈值。用户需要了解被测量的功率和能量密度，以免探头被破坏。这需要了解光斑尺寸以及能量分布。高斯光束在光束顶部具有非常高的功率/能量密度。

脉宽是测量脉冲激光时需要考虑的一个关键因素。大多数传感器具有不同的基于峰值功率的破坏阈值；当脉冲能量相同时，短脉冲相比较而言将具有高得多的峰值功率，更容易破坏传感器。对于高于破坏阈值的应用，用户可采用的衰减手段包括分光器、漫反射和中性滤光片等。

另一个重要的指标是不确定度，这关系到准确性和一致性。大多数公司根据美国标准技术协会（NIST）制定的标准对其仪器进行校准，这些标准提供了基于标准物理常数的不确定度，例如水中的温升。准确度的误差应以百分比的形式对每个传感器和显示器进行标注（见图3）。

图3：OSI公司的Juno是一种多功能紧凑型PEM，其与OSI公司的所有“智能型”热释电、热电堆和光电二极管传感器兼容。Juno的波长测量范围从紫外到远红外，能量测量范围从100fJ到几百焦，功率测量范围从10pW到10kW，光源的重复频率可高达10kHz。Juno通过USB接口将笔记本或台式电脑转换成一个激光PEM，是现场和实验室应用的理想选择，另外其也可作为内置的OEM传感器。

每种型号的探头和测量仪器的关键指标的工作范围相差巨大。选择的关键是要使激光器或光源的输出参数与探测器和仪器的指标相匹配，即测量仪器的指标应该覆盖激光器的输出参数。



权衡与取舍

选择PEM时需要进行许多权衡与取舍。例如，如果用户需要测量光束直径小的高功率激光，就需要具有高损伤阈值的探头。但是具有高损伤阈值的PEM的灵敏度并不高，所以无法用同一个探头读取极高和极低的功率。用于更高读数的能量探测器也会碰到同样的情况。此外，某些特定产品可以测量单个脉冲的高能量，但是它们只能在低重复频率下工作，不能在高功率下应用。因此，在实际应用中，用户需要根据具体情况进行一定的权衡。

虽然PEM已经出现了很长一段时间，但激光和太赫兹源技术的新进展，已经为光源测量创造了新的挑战，这些测量需要独特的传感器和仪器。自从高重复频率DPSS和光纤激光器出现以来，测量和控制重复频率为100kHz甚至更高频率的脉冲激光器的输出，曾一度让人们面临很大的困难。Gentec-EO公司宣称其Mach 5是一款能够很好解决上述需求的数字焦耳计，希望广大用户真正能从中受益（见图4）。

图 4：Gentec-EO公司的Mach 5型数字焦耳计，用于测量高重复频率的DPSS、调Q激光器和重复频率高达130kHz的超快光纤激光器的输出，测量精度高达12位。Mach 5在最大重复频率下可以存储多达400万个脉冲（40秒的数据）。Mach 5的探头包括热释电探测器、硅探测器和InGaAs探测器，可测量的能量范围从μJ到mJ量级，测量精确度可达4％。

激光功率计的探头原理是怎样的呢？

    激光功率计、能量计测试设备的研发和生产经验。其产品种类齐全；测试准确、使用方便，被广泛应用于科研、工业和医疗等各领域。

 

    光电探头

    光电二极管原理：光电二极管的核心部分是个PN 结，当在PN 结加上适当反向电压时，由于缺乏载流子， PN 结内无电流通过。当光子照射在PN 结上时，电子或空穴摆脱束缚，在PN 结内形成光生载流子，光生载流子在电场的作用下产生漂移而形成电流，电流的大小和入射光的能量成比例。

    热电堆探头

    热电堆原理：热电堆功率计就是利用当激光被探头表面的膜层吸收掉转化成热量，热量向热电偶传递并形成温度梯度场，热电堆探头内外两个节点由于温度差产生温差电动势，电动势的大小与入射光转化的热量成比例。

    热释电探头

    热释电原理：当某些晶体受热时，晶体就会产生极化现象，使晶体两端产生极化电荷，在晶体的两端镀上金属层，构成了一个电容器。则在温度梯度作用下，极化的电荷集结在电容器的两端，产生电压信号。电压信号与探测器膜层吸收光转化的热量形成的温度梯度成正比。热释电探头不适合探测连续或长脉宽的激光，因为电容器的存储的电荷容易饱和。

    BeamTrack

    BeamTrack 原理：BeamTrack 可以探测功率、能量中心的位置、光斑大小。BeamTrack 将由热电偶串连起来的热电堆再引出三个电极，从而可以分别得到四个象限的电压值，根据四个象限的电压信号，可以计算到能量中心在四个象限的位置。

    校准能力

    对于激光量测产品来讲，校准是较为重要。为了保证您激光测量设备的校准；从膜层吸收曲线上，我们可以了解到只校准一个波长是远远不够的。可以校准客户要求的波长或在要求波长附近给予高精度的校准。

    更进一步同时使用NIST 和PTB 可追溯的波长去核对校准曲线，必要时予以校正。除了校准波长这个因素外，同时还有许多有待校准的错误源。比如探头表面不同位置处的非线性的变化、脉冲频率对热释电探头的影响等。我们在校准的同时，考虑了所有的可能引起校准精度的因素。

    功率测量原理

    激光探头是一个涂有热电材料的吸收体，热电材料吸收大部分的光能量并转化成热量，只有少部分反射。吸收与反射比例与材料的光谱响应曲线有关，吸收体的储热体和它的厚度决定了热量传输到探头的速度和反应时间。探头温度变化，能够产生电流，电流通过薄片环形电阻转变成电压信号传输出来。

    激光入射，测得的电压随时间快递上升，然后在缓慢衰减，一段时间后恢复到零。这就是测量的热现象，上升和衰减时间不受负载电阻影响。

    最大电压与初使电压的差值就是测量电压，测量精度得到NIST校准授权。只要最大能量不超负荷，测量精度可以得到保证。

 

    功率计的标定

    功率计标定的目的，是校准自身测量精度，保证测量数值在功率计使用报告的误差范围内，从而保证功率计正常的使用精度。

    功率计标定采用第三方功率计来测量，根据出厂标定报告，采用不同的功率，在不损坏功率计的前提下，检验功率计实际标定的准确性和稳定性。

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激光功率计 激光功率计的探头原理是怎样的呢？_激光功率计

    射频功率计是针对各种复杂波形的测量而设计的高性能便携式超高频功率计，其针对数字通讯信号GSM/CDMA/PHS等的测试；

    有效解决了复杂波形的功率和幅度测量问题，大幅度提升了仪表可用性和可靠性。

    在操作方法和显示风格上，使用人性化的设计理念，尽量符合使用者的操作习惯。

    射频功率计价格低廉，降低了对昂贵测试设备的依赖，适合运用于各种无线通讯行业的测量和维护。

    工作原理

    热偶式测试法

    将射频功率转换为热能，测出其所产生的能量的总和，再将其转换为相应的功率读数。

    在热偶式测量法中，其测试结果基本上不受信号波形的影响。

    但热偶式功率计的成本，物理尺寸，测试响应时间，所需的附件设备，电缆和交流电源都决定了它不能得到广泛的应用。

    通过式功率测量法

    作为射频功率测量的工业标准一直至今，通过式功率测量法在工程应用及工程计量中，通过式功率计的作用是任何其它功率测试手段所无法替代的。

    通过式射频功率计实际上是一种信号激励装置，采用了一个无源的二极管射频传感器。

    在同轴线的一侧装有一个定向的，半波二极管检波电路，并将其接到一个已校正的表头以读出有效值功率。

    检波电路与传输线通过介质耦合，并根据置于传输线旁的传感器的方向取样出正向和反射功率。

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