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如何選取激光功率計(jì)和能量計(jì)？

2011-05-12

                                                      如何選取激光功率計(jì)和能量計(jì)？  

   全球紡織采購(gòu)供應(yīng)鏈色彩解決方案商——天友利，近幾年來(lái)，越來(lái)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(jué)測(cè)試、 包裝等。

     激光功率和能量計(jì)主要用來(lái)測(cè)量光源的輸出。無(wú)論光發(fā)射是來(lái)源于弱光源（如熒光），還是來(lái)源于高能量的脈沖激光器，功率和能量計(jì)都是實(shí)驗(yàn)室、生產(chǎn)部門或是工作現(xiàn)場(chǎng)等多種應(yīng)用環(huán)境中必不可少的工具。

     雖然功率計(jì)和能量計(jì)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(lái)稱作單獨(dú)的一類儀器——功率和能量計(jì)，或PEM。儀器所采用的光學(xué)傳感器的類型，決定了其能測(cè)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(lái)講，功率計(jì)能夠測(cè)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(jì)則通常用于測(cè)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(cè)量脈沖光源而設(shè)計(jì)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(jì)分為具有控制和示值讀數(shù)功能的測(cè)量部分（或儀表盤）和傳感器部分（也稱為探測(cè)器或探頭），兩者結(jié)合在一起就組成一套“測(cè)量系統(tǒng)”。另一些廠商將這兩者統(tǒng)稱為測(cè)量?jī)x。無(wú)論哪種分類方式，傳感器都存儲(chǔ)有校準(zhǔn)信息，儀表盤則測(cè)量傳感器的輸出電流，并參考校準(zhǔn)表來(lái)輸出數(shù)據(jù)。

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

     傳感器的選擇比較復(fù)雜。目前市場(chǎng)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(cè)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(zhǎng)和響應(yīng)范圍。每個(gè)光電二極管在不同的波長(zhǎng)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(shí)間的傳感器對(duì)波長(zhǎng)敏感，因此適用于測(cè)量低功率激光。

      熱傳感器通過(guò)將入射光轉(zhuǎn)換成熱能來(lái)測(cè)量功率或能量。熱傳感器在186nm~10.6μm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有平坦的光譜響應(yīng)，因此其適用于多波長(zhǎng)或者非單色光的測(cè)量。光電二極管也可以測(cè)量紫外（UV）到紅外（IR）波段的波長(zhǎng)，但是其在不同波長(zhǎng)處具有不同的響應(yīng)度，因此必須將激光波長(zhǎng)輸入測(cè)量?jī)x以獲得正確的讀數(shù)。在1800 nm或更長(zhǎng)的波長(zhǎng)處，熱探測(cè)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(cè)量。

      熱釋電傳感器通過(guò)將光脈沖能量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)來(lái)測(cè)量脈沖能量。熱釋電傳感器能響應(yīng)較寬的波長(zhǎng)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(cè)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(chǎng)上的許多功率和能量計(jì)都兼容這三類傳感器（見(jiàn)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(jì)；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(jì)。

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(cè)量功率，哪些可用于測(cè)量能量，以及它們的測(cè)量范圍。用于測(cè)量功率的熱電堆探測(cè)器往往面積較大，具有較高的損傷閾值，功率測(cè)量范圍從毫瓦到千瓦。基于半導(dǎo)體的光電二極管探測(cè)器不但體積較小，而且靈敏度高，功率測(cè)量范圍從皮瓦到毫瓦。

     這三種類型的探測(cè)器都可用于測(cè)量能量。熱電堆探測(cè)器是毫秒（ms）量級(jí)單脈沖測(cè)量、或者每個(gè)脈沖能量達(dá)幾焦耳的高能量光束測(cè)量的理想選擇。熱釋電探測(cè)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(jí)）的測(cè)量。光電探測(cè)器則適合測(cè)量低能量（從fJ到mJ量級(jí)）的短脈沖（脈寬從fs到ms）。每個(gè)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(cè)器可與積分球一起使用，以獲得對(duì)光源的均勻和準(zhǔn)確測(cè)量。Lasermet公司帶有積分球的光電二極管探頭，通常能夠測(cè)量的功率小至1μW；緊湊型探頭能夠測(cè)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(jiàn)圖2）。熱探頭通?？梢詼y(cè)量的功率低至1mW。

      對(duì)于高功率光源，Lasermet公司的光電二極管探頭通常可以測(cè)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(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確度），則可以測(cè)量更高的功率。熱探頭可以測(cè)量的功率高達(dá)20W，特制的熱探頭可以測(cè)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(shí)，頻率響應(yīng)可達(dá)到400kHz，這比市場(chǎng)上其他任何探測(cè)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(cè)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(cè)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(chǎng)上已經(jīng)有一些熱探測(cè)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(shí)首先要考慮的指標(biāo)是傳感器的波長(zhǎng)范圍以及對(duì)功率和能量的測(cè)量范圍。測(cè)量?jī)x應(yīng)該能夠在未飽和的狀態(tài)下給出測(cè)量值。通常飽和電流在10mA量級(jí)（峰值響應(yīng)處的功率約為10mW）。高功率的測(cè)量通常采用積分球或光衰減器來(lái)降低飽和。系統(tǒng)的另一個(gè)重要指標(biāo)是低可測(cè)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(jí)，高靈敏度模塊可測(cè)量的功率低至1μW。

    在挑選了合適的探頭來(lái)測(cè)量激光或?qū)拵Ч庠春?，下一個(gè)要考慮的問(wèn)題是破壞閾值。用戶需要了解被測(cè)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(cè)量脈沖激光時(shí)需要考慮的一個(gè)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(shí)，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(duì)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(gè)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)協(xié)會(huì)（NIST）制定的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(duì)每個(gè)傳感器和顯示器進(jìn)行標(biāo)注（見(jiàn)圖3）。
 
    每種型號(hào)的探頭和測(cè)量?jī)x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(cè)器和儀器的指標(biāo)相匹配，即測(cè)量?jī)x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(shí)需要進(jìn)行許多權(quán)衡與取舍。例如，如果用戶需要測(cè)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(wú)法用同一個(gè)探頭讀取極高和極低的功率。用于更高讀數(shù)的能量探測(cè)器也會(huì)碰到同樣的情況。此外，某些特定產(chǎn)品可以測(cè)量單個(gè)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(shí)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(zhǎng)一段時(shí)間，但激光和太赫茲源技術(shù)的新進(jìn)展，已經(jīng)為光源測(cè)量創(chuàng)造了新的挑戰(zhàn)，這些測(cè)量需要獨(dú)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(lái)，測(cè)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(jì)，希望廣大用戶真正能從中受益（見(jiàn)圖4）。
 
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