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如何選取激光功率計和能量計？

2011-05-12

                                                      如何選取激光功率計和能量計？  

   全球紡織采購供應(yīng)鏈色彩解決方案商——天友利，近幾年來，越來越多的頂尖零售商和服裝品牌廠家選擇天友利作為自己的優(yōu)選或共選色彩技術(shù)提供商。產(chǎn)品涉及行業(yè)：塑料、 涂料、 紡織、 汽車、 化妝品、 數(shù)碼影像、 印前 、印刷、 油墨、 色覺測試、 包裝等。

     激光功率和能量計主要用來測量光源的輸出。無論光發(fā)射是來源于弱光源（如熒光），還是來源于高能量的脈沖激光器，功率和能量計都是實驗室、生產(chǎn)部門或是工作現(xiàn)場等多種應(yīng)用環(huán)境中必不可少的工具。

     雖然功率計和能量計是分別提供的，但隨著能夠適用大量不同類型的光學(xué)傳感器的通用型儀表盤或顯示裝置的發(fā)展，它們也被合起來稱作單獨的一類儀器——功率和能量計，或PEM。儀器所采用的光學(xué)傳感器的類型，決定了其能測量光功率還是光能量，通常單位分別瓦特（W）或焦耳（J）。具體來講，功率計能夠測量連續(xù)波（CW）或者重復(fù)脈沖光源，其所使用的傳感器通常是熱電堆或光電二極管。能量計則通常用于測量脈沖激光，即單脈沖或者重復(fù)脈沖光源，其所使用的傳感器包括熱釋電、熱電堆，或者帶有專門為測量脈沖光源而設(shè)計的電路的光電二極管。

系統(tǒng)配置

     一些制造商將功率或能量計分為具有控制和示值讀數(shù)功能的測量部分（或儀表盤）和傳感器部分（也稱為探測器或探頭），兩者結(jié)合在一起就組成一套“測量系統(tǒng)”。另一些廠商將這兩者統(tǒng)稱為測量儀。無論哪種分類方式，傳感器都存儲有校準(zhǔn)信息，儀表盤則測量傳感器的輸出電流，并參考校準(zhǔn)表來輸出數(shù)據(jù)。

     在某些配置中，儀表盤會作為探測器與用戶之間的接口，通過RS-232或者USB連接方式直接向電腦傳輸測量數(shù)據(jù)，在這種情況下，顯示裝置就不再是必需的了。測量數(shù)據(jù)可能包括功率、差值、總和、線性、對數(shù)值和幾個通道同時衰減的曲線。大部分PEM儀表盤是數(shù)字式的，但是對于功率只有小幅波動的應(yīng)用而言，模擬式測試儀就足以勝任了。

     傳感器的選擇比較復(fù)雜。目前市場上應(yīng)用的三種主要傳感器類型有：光電二極管、熱傳感器和熱釋電傳感器。光電二極管傳感器由光電二極管和ND）濾光片組成，以確保入射到探測器上的功率能夠保證傳感器線性工作，其中光電二極管通常選用硅（Si）、鍺（Ge）或銦砷化鎵等材料，每種光電二極管具有不同的峰值波長和響應(yīng)范圍。每個光電二極管在不同的波長處具有不同的響應(yīng)度。響應(yīng)度的單位是A/W，代表了傳感器將入射光轉(zhuǎn)換為電流的效率。具有快速響應(yīng)時間的傳感器對波長敏感，因此適用于測量低功率激光。

      熱傳感器通過將入射光轉(zhuǎn)換成熱能來測量功率或能量。熱傳感器在186nm~10.6μm的波長范圍內(nèi)具有平坦的光譜響應(yīng)，因此其適用于多波長或者非單色光的測量。光電二極管也可以測量紫外（UV）到紅外（IR）波段的波長，但是其在不同波長處具有不同的響應(yīng)度，因此必須將激光波長輸入測量儀以獲得正確的讀數(shù)。在1800 nm或更長的波長處，熱探測器通常是的選擇。熱傳感器可以承受高功率激光，但是如果功率變化范圍較大的話，則需要幾秒鐘才能達(dá)到平衡。由于不像光電二極管那樣靈敏，因此熱傳感器不適合用于低功率測量。

      熱釋電傳感器通過將光脈沖能量轉(zhuǎn)換成電壓信號來測量脈沖能量。熱釋電傳感器能響應(yīng)較寬的波長范圍，但是其響應(yīng)曲線不如熱傳感器那么平坦。熱釋電傳感器只能測量脈沖光源，并有小帶寬要求以使傳感器能夠“看到”脈沖。

     目前市場上的許多功率和能量計都兼容這三類傳感器（見圖1）。如果將通用型儀表盤和功率傳感器一起使用，這套裝置就是功率計；如果將通用型儀表盤和能量傳感器一起使用，這套裝置就是能量計。

選擇何種傳感器？

    這部分內(nèi)容將介紹哪些類型的傳感器可用于測量功率，哪些可用于測量能量，以及它們的測量范圍。用于測量功率的熱電堆探測器往往面積較大，具有較高的損傷閾值，功率測量范圍從毫瓦到千瓦。基于半導(dǎo)體的光電二極管探測器不但體積較小，而且靈敏度高，功率測量范圍從皮瓦到毫瓦。

     這三種類型的探測器都可用于測量能量。熱電堆探測器是毫秒（ms）量級單脈沖測量、或者每個脈沖能量達(dá)幾焦耳的高能量光束測量的理想選擇。熱釋電探測器適合短脈沖（脈寬從fs到ms）和寬能量范圍（從50nJ到焦耳量級）的測量。光電探測器則適合測量低能量（從fJ到mJ量級）的短脈沖（脈寬從fs到ms）。每個探頭和儀器模塊的關(guān)鍵指標(biāo)的性能范圍有較大差異，用戶在選擇之前，更好要提前與產(chǎn)品專家了解具體情況。

     光電二極管探測器可與積分球一起使用，以獲得對光源的均勻和準(zhǔn)確測量。Lasermet公司帶有積分球的光電二極管探頭，通常能夠測量的功率小至1μW；緊湊型探頭能夠測量的功率小至1nW，光束可以直接照射到這種光電二極管上（見圖2）。熱探頭通?？梢詼y量的功率低至1mW。

      對于高功率光源，Lasermet公司的光電二極管探頭通?？梢詼y量的大功率為1W，如果采用濾光片截止掉90％或者99％的光束（盡管這將引起反射并且會影響測量的準(zhǔn)確度），則可以測量更高的功率。熱探頭可以測量的功率高達(dá)20W，特制的熱探頭可以測量功率高達(dá)100W甚至幾千瓦的激光。

     光電二極管擁有快的響應(yīng)速度。Lasermet公司的IPDH-10S和IPDH-10C光電二極管與ADM1000一起使用時，頻率響應(yīng)可達(dá)到400kHz，這比市場上其他任何探測器的響應(yīng)速度大約快1000倍。這樣的響應(yīng)速度能夠分離和顯示單脈沖波形，并且可以測量出單脈沖的能量。

     光電二極管也提供了更高的熱穩(wěn)定性，而熱探測器則容易受到熱干擾和熱漂移的影響，因此更難準(zhǔn)確使用。目前市場上已經(jīng)有一些熱探測器結(jié)合了溫度穩(wěn)定技術(shù)，從而大大減少了熱漂移。

關(guān)鍵指標(biāo)

     選擇PEM時首先要考慮的指標(biāo)是傳感器的波長范圍以及對功率和能量的測量范圍。測量儀應(yīng)該能夠在未飽和的狀態(tài)下給出測量值。通常飽和電流在10mA量級（峰值響應(yīng)處的功率約為10mW）。高功率的測量通常采用積分球或光衰減器來降低飽和。系統(tǒng)的另一個重要指標(biāo)是低可測量的功率/能量水平處的信噪比。典型的噪聲水平在幾mW量級，高靈敏度模塊可測量的功率低至1μW。

    在挑選了合適的探頭來測量激光或?qū)拵Ч庠春螅乱粋€要考慮的問題是破壞閾值。用戶需要了解被測量的功率和能量密度，以免探頭被破壞。這需要了解光斑尺寸以及能量分布。高斯光束在光束頂部具有非常高的功率/能量密度。

     脈寬是測量脈沖激光時需要考慮的一個關(guān)鍵因素。大多數(shù)傳感器具有不同的基于峰值功率的破壞閾值；當(dāng)脈沖能量相同時，短脈沖相比較而言將具有高得多的峰值功率，更容易破壞傳感器。對于高于破壞閾值的應(yīng)用，用戶可采用的衰減手段包括分光器、漫反射和中性濾光片等。

    另一個重要的指標(biāo)是不確定度，這關(guān)系到準(zhǔn)確性和一致性。大多數(shù)公司根據(jù)美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)協(xié)會（NIST）制定的標(biāo)準(zhǔn)對其儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)提供了基于標(biāo)準(zhǔn)物理常數(shù)的不確定度，例如水中的溫升。準(zhǔn)確度的誤差應(yīng)以百分比的形式對每個傳感器和顯示器進(jìn)行標(biāo)注（見圖3）。
 
    每種型號的探頭和測量儀器的關(guān)鍵指標(biāo)的工作范圍相差巨大。選擇的關(guān)鍵是要使激光器或光源的輸出參數(shù)與探測器和儀器的指標(biāo)相匹配，即測量儀器的指標(biāo)應(yīng)該覆蓋激光器的輸出參數(shù)。

權(quán)衡與取舍

    選擇PEM時需要進(jìn)行許多權(quán)衡與取舍。例如，如果用戶需要測量光束直徑小的高功率激光，就需要具有高損傷閾值的探頭。但是具有高損傷閾值的PEM的靈敏度并不高，所以無法用同一個探頭讀取極高和極低的功率。用于更高讀數(shù)的能量探測器也會碰到同樣的情況。此外，某些特定產(chǎn)品可以測量單個脈沖的高能量，但是它們只能在低重復(fù)頻率下工作，不能在高功率下應(yīng)用。因此，在實際應(yīng)用中，用戶需要根據(jù)具體情況進(jìn)行一定的權(quán)衡。

    雖然PEM已經(jīng)出現(xiàn)了很長一段時間，但激光和太赫茲源技術(shù)的新進(jìn)展，已經(jīng)為光源測量創(chuàng)造了新的挑戰(zhàn)，這些測量需要獨特的傳感器和儀器。自從高重復(fù)頻率DPSS和光纖激光器出現(xiàn)以來，測量和控制重復(fù)頻率為100kHz甚至更高頻率的脈沖激光器的輸出，曾一度讓人們面臨很大的困難。Gentec-EO公司宣稱其Mach 5是一款能夠很好解決上述需求的數(shù)字焦耳計，希望廣大用戶真正能從中受益（見圖4）。
 
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