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閱讀：212發(fā)布時(shí)間：2024-7-17
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(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、低溫輻射計(jì)以及近些年出現(xiàn)的光致動力學(xué)傳感形式等，圖1所示的各種典型激光功率測量系統(tǒng)。
01 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)簡單，因?yàn)闆]有利用光的熱效應(yīng)，對外界環(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。
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(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范圍。
02 熱電堆型
隨激光技術(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(jì)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(jì)。
熱電堆式激光功率計(jì)是熱電型光功率測量的典型器件，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。
1970年，基于熱電偶以及真空腔的激光功率探測裝置被制出?，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)到比較高的測量穩(wěn)定性，在測量標(biāo)準(zhǔn)值為−10.000 dBm的850 nm光源時(shí)測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差可以達(dá)到0.003 dBm。
03 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?；跓後岆娦?yīng)的功率計(jì)一般稱為熱釋電能量計(jì)，適合測量單脈沖的能量。
1982年，熱釋電效應(yīng)成功被應(yīng)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1mW的測量條件下達(dá)到0.5%的測量精度。熱釋電型傳感器的優(yōu)點(diǎn)包括測量精度比較高、響應(yīng)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(yīng)等。
04 低溫輻射計(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量，熱釋電型激光功率計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。除了對功率范圍的要求之外，在精度提升方面，對輻射計(jì)的研究推動了激光功率計(jì)測量基準(zhǔn)的建立，后來出現(xiàn)的低溫輻射計(jì)（圖5）使激光功率計(jì)的測量精度上限得到了飛躍性的提升。
1985年，精確度非常高的低溫輻射計(jì)被提出?，F(xiàn)在的低溫輻射計(jì)在測量波長范圍為500 nm~16 μm的激光時(shí)，相對標(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。
05 流水式
隨著測量功率的進(jìn)一步增大，熱電型功率計(jì)會產(chǎn)生溫漂，吸收面溫度不斷升高也會引起功率計(jì)的損傷，為了使功率計(jì)的損傷閾值提高，出現(xiàn)了各種針對大功率測量的結(jié)構(gòu)。流水式是其中一種基于激光的熱效應(yīng)對大功率激光進(jìn)行功率測量的方法，如圖6所示。
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)到了水平。這種類似于水冷裝置的設(shè)計(jì)的是能測量很大的功率，進(jìn)展是在1~10kW的量程下；其缺點(diǎn)也比較明顯，無法測量小功率，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。
處了以上典型方法之外，還有一些應(yīng)對大功率激光功率測量的改進(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。
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