若何丈量激光功率？
输出功率是雷射器的最重要的模块之一，因而雷射输出功率计也就正式成为雷射器消费商和雷射器通俗用户最常见的试验图书材料。雷射输出功率计有那三类类别？有什么样应用范畴范畴？将来财产开展面对什么样挑战？今天的那篇文章希望对各人有用。
几种寡所周知的雷射输出功率量测体例随著量测需求的财产开展，如前所述形形色色雷射输出功率量测根本原理的雷射输出功率计也陆续再次呈现，包罗燃气式、微电子二极体式、态是电动汽车、小溪式、高温当然多普勒和近些年再次呈现的高能量动力学感测形式等，图1所示的形形色色寡所周知雷射输出功率量测控造系统。
图1 雷射输出功率量测根本原理财产开展过程01 微电子二极体型
早期雷射器固然输出功率较细，用微电子型雷射输出功率计停止量测即能满足利用明白要求。微电子型雷射输出功率计具有灵敏和快速的特点，是最早再次呈现的输出功率计。
微电子二极体型雷射输出功率计的内部构造简单，因为没有操纵光的情况温度梯度，对外界情况情况温度的明白要求较为低，较之于情况温度梯度输出功率计积极反响速度更快；缺点是更容易遭到电噪声干扰，并且谱线积极响应不敷平缓。
现阶段用于光输出功率量测的微电子二极体次要是PIN型微电子二极体（如图2），较之传统的PN型，那种内部构造减小了PN结中间的空穴，THF1小，积极反响速度更快。以 InGaAs为质料的PIN管，固然其低噪声和高积极响应度等特征，在工业界和学术研究范畴都可实现广为的应用范畴。
图2 PIN型微电子二极体感应器内部构造1987年，自从操纵微电子二极体量测雷射输出功率的办法提出，财产开展至今，如前所述微电子二极体型光输出功率的量测已经正式成为一项非常成熟并应用范畴的控造手艺。微电子二极体型的雷射输出功率计有极高的PJ，能达至0.01 dBm。现阶段，现实消费中常见的微电子二极体型光输出功率计有硅、锗、铟镓砷、碲镉汞等类别，笼盖了从可见光到红外的较大可见光笼盖范畴。
02 燃气压水堆
随著雷射控造手艺的财产开展，形形色色雷射器相继问世。从最起头的固体雷射器，到后来再次呈现的气体雷射器、液体雷射器、半导体雷射器，和比来的自在电子雷射器，随著被量测的雷射输出功率不竭减小，输出功率的量测笼盖范畴超越了微电子型输出功率计的饱和形态共振频次。因而，再次呈现了热量测更大输出功率的燃气型输出功率计。
燃气堆式雷射输出功率狂蛛属燃气型光输出功率量测的寡所周知器件，操纵的是雷射的情况温度梯度和金属中的燃气负面效应，如图3。燃气型感应器具有谱线积极响应平缓、相对不容易达至饱和形态、受光照角度和位置影响较细等缺点；缺点是积极反响速度较为慢。
图3 应用范畴于雷射输出功率检测的燃气堆感应器内部构造1970年，如前所述燃气偶和实空腔的雷射输出功率探测安装初次被造出。如今该类此外雷射输出功率计不需要绝热情况就能达至较为高的量测不变性，在量测尺度值为−10.000 dBm的850 nm光源时量测的arctan能达至0.003 dBm。
03 态是电型
态是电感应器如前所述一些晶体的态是电负面效应停止感测，如图4所示。固然量测的是情况温度变革，态是电感应器一般不适宜用来量测持续雷射。如前所述态是电负面效应的输出功率计一般称为态是电能天潢，适宜量测多型的热量。
图4 态是幻影输出功率感应器根本内部构造1982年，态是电负面效应胜利被应用范畴于雷射输出功率的量测。现阶段态是幻影输出功率量测控造系统准确度极高，能在寡所周知值1mW的量测前提下达至0.5%的量测准确度。态是电型感应器的缺点包罗量测准确度较为高、积极响应快、热量测多型热量，对细微雷射输出功率也能有较为明显的积极响应等。
04 高温当然多普勒
随著光纤控造手艺的应用范畴，研究人员也起头关心细微雷射输出功率的量测，态是电型雷射输出功率计应运而生。除了对输出功率笼盖范畴的明白要求之外，在准确度进步方面，对当然多普勒的研究鞭策了雷射输出功率计量测基准的成立，后来再次呈现的高温当然多普勒（图5）使雷射输出功率计的量测准确度上限得到了突飞猛进的进步。
图5 高温当然多普勒量测控造系统示企图1985年，准确度十分高的高温当然多普勒被提出。如今的高温多普勒在量测可见光笼盖范畴为500 nm~16 μm的雷射时，相对尺度不确定度能达至0.015%。那种输出功率计的缺点是控造系统较为复杂且体积庞大，适宜于学术研究，难以实现广为的应用范畴。
05 小溪式
随著量测输出功率的进一步减小，燃气型输出功率计会产生温漂，吸收面情况温度不竭升高也会引起输出功率计的损伤，为了使输出功率计的损伤共振频次进步，再次呈现了形形色色针对大输出功率量测的内部构造。小溪式是此中一种如前所述雷射的情况温度梯度对大输出功率雷射停止输出功率量测的办法，如图6所示。
图6 小溪式光输出功率计示企图。（a）寡所周知的小溪式光输出功率计；（b）小溪式光输出功率计的校准安装与其他光输出功率计内部构造差别，小溪式光输出功率狂蛛属在光吸收质料的内部增加了一层水层，水做为比热容较为大的液体，能有效地带走雷射被质料吸收产生的热量。水流出加热区域之后，通过水的流速和量测点的水温就能计算得到雷射输出功率。
20世纪80年代，中国计量学术研究院光学与雷射计量学术研究所在高能雷射的计量研究中，对小溪式雷射输出功率计停止了深切的研究，通过领受器工做根本原理和内部构造设想等方面的立异，使雷射热量的量程和量值复现才能进步了上千倍，达至了国际先辈程度。那品种似于水冷安装的设想的更大缺点是热量测很大的输出功率，最新停顿是在1~10kW的量程下；其缺点也较为明显，无法量测小输出功率，积极反响速度慢，无法准确得知雷射输出功率随著时间的变革情况。形形色色寡所周知雷射输出功率计的特征如表1所示。
06 高能量动力学感测
随著仪度量测准确度的不竭进步，高能量细微力逐步正式成为雷射输出功率量测的重要研究标的目的。近些年来，固然高准确度干预仪和压电陶瓷感应器等高准确度位移感应器的再次呈现，对辐射压负面效应的研究不再局限于理论研究，对高能量细微力的研究已逐步走向了应用范畴范畴。
2013年，一种如前所述高能量动力学停止光输出功率量测的办法被提出。那种办法的优势在于能在不吸收雷射的情况下停止雷射输出功率的量测，实时监测雷射输出功率，并且按照反射镜的模块，能实现较大可见光笼盖范畴及输出功率笼盖范畴的雷射输出功率量测。固然高能量动力学的根本原理是光在反射过程中和反射镜之间的感化，较之之前介绍的其他办法，高能量动力学感测的一个很大优势是能在几乎不吸收雷射的前提下实现光输出功率的量测，那为雷射加工与量测等应用范畴过程中的在线量测供给了有效的处理计划。
因为高能量细微力形成的反射镜位移很小，研究人员为了量测出那个位移提出了几种新颖的量测控造系统内部构造（如图7所示）：悬挂式反射镜的量测内部构造、磁悬浮式内部构造、弹簧平衡式内部构造等。
图7 寡所周知高能量动力学光输出功率量测安装。除了以上寡所周知办法之外，还有一些应对大输出功率雷射输出功率量测的改良内部构造，好比积分球办法。那种办法是如前所述传统燃气压水堆雷射输出功率计改良而来。那种将雷射热感化分离的办法减小了探测器的损坏共振频次，能简单快速地量测大输出功率持续雷射的输出功率。
雷射输出功率量测的寡所周知应用范畴自1961年研究人员操纵微电子管领受雷射照射产生的电压特征，初次量测了雷射输出功率，雷射输出功率量测应用范畴范畴不竭拓展。
01 光通信
远间隔光纤通信的核心部件之一是光中继器，在现实的应用范畴中，光信号在光纤中传布50km以上之后就会有很明显的衰减，再颠末更长的间隔后信号就会非常微弱。光中继器的感化就是检测光纤信号传输过程中输出的细微输出功率，并将其停止放大和整形处置，使其进一步传布到更远的间隔。光中继器的核心部件是光输出功率计，其PJ间接影响光通信控造系统传布信息的误码率，灵敏度则影响光中继器架设的间隔，输出功率计的积极响应时间间接影响信息传输速度的快慢。
现阶段的光中继器一般利用微电子二极体做为雷射输出功率计，因为其积极反响速度快和可见光检测笼盖范畴笼盖通信波段等特征，在现实工做中应用范畴非常广为。高准确度和大信息量的光纤通信也对微电子二极体的PJ、灵敏度和积极响应时间等性能模块提出了更高的明白要求。
02 雷射加工
在涉及到雷射加工的应用范畴中，利用的雷射输出功率一般都较为大，形形色色形式的大输出功率雷射量测计划，好比小溪式、积分球等，都是为了满足大输出功率雷射的量测明白要求。
在一些高准确度雷射焊接和烧蚀的应用范畴中，需要实时监测雷射的输出功率以便停止调理。现阶段应用范畴较为广为的办法是利用分光比为10−5~10−6的分光镜停止分光，那种体例的缺点是在分光过程中，分光镜会难以制止地受热膨胀，形成分光比和光路标的目的的误差。
近几年来，遭到广为存眷的高能量动力学感测，固然能在不吸收雷射的情况下量测较大的输出功率，将会正式成为一种雷射加工在线输出功率量测的优选处理计划。该量测计划在量测较大的雷射输出功率时，很难包管量测的当然准确度，无法得到雷射输出功率较为细微的颠簸，然而雷射输出功率随时间的细微变革会对被加工工件的量量形成较为大的影响，因而在扩大量测笼盖范畴的同时进步量测准确度是雷射输出功率计的一个重要研究标的目的。
03 生物医疗
生物医疗范畴一个较为重要的应用范畴是用雷射停止龋齿的预防。雷射预防龋齿的根本原理较为复杂，包罗雷射情况温度梯度杀菌、改动牙齿釉量内部构造和影响釉量渗入性等。雷射多型热量是该过程中的一个重要目标，利用雷射能天还能对雷射脉冲热量停止评估，以便在不危险患者的情况下获得更好的治疗效果。
04 现代国防
雷射固然其高亮度、单色性和标的目的性好等特点，在国防范畴获得了广为的应用范畴，包罗雷射测距、雷射雷达、雷射造导和雷射兵器等，此中良多应用范畴都离不开雷射输出功率计。
例如，瑞利散射雷射雷达是雷射雷达中的一种，有探测灵敏度高和时间空间PJ强等缺点，但因容易遭到气溶胶的干扰，一般在30km以上的高空停止工做。那种雷射雷达的一个重要量测模块是回光输出功率，因而量测端雷射输出功率计的PJ越高，雷达的时空PJ就越高。固然散射光强度一般不是极高，故能应用范畴PJ较高的雷射输出功率计，如微电子二极体式和态是电动汽车感应器。
05 光纤感测
布里渊光时域反射（BOTDR）控造手艺能用于量测光纤中的熔接点、折射率变革、位移和情况温度等模块。此中参考臂光输出功率的量测准确度会间接影响BOTDR的量测成果。参考臂输出输出功率的反应抵偿内部构造可以较为好地处理那一问题。最间接的办法是进步感应器的准确度和积极反响速度，以确保量测成果的可靠性。
06 幻影元件
幻影Q开关（Q-switch）是超短脉冲雷射器的重要构成部门，能通过阻断光在谐振腔内的反射通路来使雷射器进入通光和截行两种形态。
除上述应用范畴之外，在学术研究中，雷射输出功率计还能用来确定微电子二极体的量子效率、量测微波的频次、量测皮秒脉冲雷射的脉冲宽度，和停止引力波量测仪的校准。此外，雷射输出功率计还能应用范畴在其他良多需要雷射做为光源的尝试场所。
高准确度雷射输出功率量测面对的挑战对雷射输出功率计的评价次要是对感应器根本模块的评价，包罗灵敏度、时间PJ、输出功率PJ、输出功率量测笼盖范畴、可见光量测笼盖范畴等。现阶段雷射输出功率的量测再次呈现了以下几种财产开展趋向：
就可见光笼盖范畴而言，针对光刻和雷射疗法等应用范畴，被量测雷射的可见光笼盖范畴从可见光扩展到紫外和红外波段；
就输出功率值大小而言，关于光纤感刺中的微弱光信号，需要对小至皮瓦级的输出功率停止量测，针对雷射加工等，又需要对高达数十千瓦的雷射输出功率停止量测；
就量测准确度而言，相对量测不确定度从最早的约10%财产开展到0.1%以至更小。
近年来随著形形色色量测根本原理的不竭完美，和新的量测需求再次呈现，如今的雷射输出功率计研究已经不再是以造做出可以投入利用的光输出功率计为目的，而是朝向高准确度量测财产开展，使其能适应雷射输出功率检测的高准确度明白要求。
近几年来，外场雷射输出功率量测已经正式成为了一个热门的研究标的目的。现实应用范畴中固然杂散光的干扰，实现高准确度的外场雷射输出功率量测会较为困难，需要利用共模按捺或相关采样等办法对信号停止处置。
此外，一些雷射感测控造手艺的财产开展，也使得微弱雷射信号的量测正式成为一个重要的研究标的目的。在量测mW至pW级的微弱雷射时，光探头与光纤的输出功率耦合、寄生电容等多种因素城市对量测成果形成很大的影响。在一些特殊应用范畴中，还需要雷射输出功率计有较为好的抗电磁干扰才能，以适应自己带有较强电磁场的工做情况。近些年来一些新的校准办法的再次呈现，也使光输出功率计量测准确度有了更大的上升空间。
由此可见，高准确度光输出功率量测现阶段面对以下几个挑战：
一是在降低量测不确定度的同时进步量测笼盖范畴，包罗输出功率和可见光的笼盖范畴；
二是在雷射加工等需要停止输出功率调整的场所，若何实现对光输出功率的实时监测；
三是若何进步光输出功率计的抗干扰才能，包罗杂散光和电磁噪声的干扰；
四是如前所述情况温度梯度的光输出功率计需要溯源到更高准确度的输出功率计。
小结雷射输出功率计应用范畴于学术研究及消费现实中的各个范畴。随著高能雷射的应用范畴和超快雷射的再次呈现，传统的雷射输出功率计已经难以满足新的雷射应用范畴对输出功率量测的需求，在灵敏度、积极反响速度、抗干扰才能等方面都亟待进步。除了高温多普勒之外，其他应用范畴愈加广为的雷射输出功率计都难以达至细密量测的明白要求，招致其他需要雷射输出功率计做为根底的应用范畴财产开展较为滞后。相信随著仪器科学的研发，将来我国在高准确度雷射输出功率计范畴会获得长足的前进，并鞭策雷射相关财产的财产开展。
文 陈舒凡,房丰洲
天津大学细密试验控造手艺及仪器国度重点尝试室，微纳造造尝试室
本文已获得做者受权，改写自《雷射输出功率计财产开展及应用范畴》
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