關鍵詞：激光 功率計 測量

一、引言

世界是多元的，我們激光領域的發展也勢必向多元的方向發展。隨著激光技術的進步，各種的指標也不斷被刷新。有追求高功率的，有追求短脈沖寬度的，也有追求極短或者更長波長的．．．．．．一言難盡。篇幅有限，無法面面俱到，我們暫且結合某一方向進行闡述。就目前而言，工業應用中，激光功率越來越高的趨勢日益明顯。激光功率越來越高，各種可用于激光功率探測的新型材料也不斷涌現。

這里我們從原理出發，對功率計進行分類，了解各種功率計的特點，才能正確地使用功率計。

二、光功率計的分類

這里我們討論的是光功率計，測量光功率的稱為光功率計。電功率計不在我們的討論范疇（chóu）。

光功率計按工作原理分兩大類：光電功率計和熱電功率計。

2.1光電功率計

光電功率計的本質是光電探測器，是基于半導體材料的光電效應。

簡單說來就是當光照在半導體材料上時，產生光電流，根據光電流的大小即可判斷光的強弱。由于光電效應的效率較高，因此可以獲得比較高的靈敏度，用來測量功率比較低的激光。這里有一點要說明的是，半導體材料對于不同波長的光，光電效率是不同的。

從上圖可見，波長不同，半導體材料的光電響應也不同，而且差別很大。因此，如果用光電探測器來測量激光的功率，必須選擇合適的校準系數。不同波長下的讀數差別很大。顯然，如果測量對象是寬光譜光源，例如自然光，白熾燈，日光燈等，簡單用任何單一波長下的校準系數進行校準都是缺乏依據的，不可靠的。在這種情況下，光電功率計只能用來監測光強的相對變化（變強了還是變弱了），而無法獲取一個可靠的數值。測量寬光譜光源比較可靠的方法是用熱電探頭。

2.2熱電功率計

準確說來，是熱電堆功率計。之所以強調這一點，是因為現在有很多人，有相當一部分人還沒搞清楚熱釋電和熱電堆的區別。這里請允許我占用一點篇幅來區別這兩種探測器。

熱釋電探測器是根據熱釋電材料在不同溫度下的熱釋電材料會產生極化現象，也就是產生電勢差。由于極化速度非?？欤蚨梢愿鶕妱莶畹淖兓瘉砼袛鄿囟鹊淖兓M而推斷光瞬時功率的變化，積分以后就是單脈沖的能量。因此，熱釋電探測器是用來測量脈沖能量的，而不適合用來測量功率。例如，一個連續的激光器打到熱釋電探測器上，由于溫度始終保持恒定，因此實際上不會產生瞬時極化，也就不會有電壓讀數。

而熱電堆探測器是由熱電偶組成的列陣。由于光功率打到熱電偶的熱端，從而使熱電偶熱端和冷端產生溫差，進而產生電壓。溫度差的存在會使電壓一直存在。實際上探測到的是達到熱平衡以后的溫度差，也就是平均功率值。也就是說熱電堆的工作原理和熱釋電恰恰相反，熱釋電測量的是根據瞬時光強的變化測量能量，而熱電堆測的是達到熱平衡以后的平均功率。

熱電堆探測器的原理圖

由于在實際應用中，需要測量功率的情況遠多于測量能量。高重頻激光器可以用平均功率來計算脈沖能量（E=P/f，E是能量，P是功率，f是重復頻率）；連續激光器不存在脈沖能量的概念；只有在特別低重復頻率（例如5Hz，8Hz）或者單發（Singleshot）的情況下才需要測量能量。因此我們這里主要介紹功率測量用的熱電堆探測器。而且，即使是單發（Singleshot）的能量，現在有些的熱電堆也能夠通過積分熱電偶的電壓變化量來進行測量。

三、光功率計的使用

光功率計的使用必須和激光器參數相匹配。讀數量程，靈敏度和分辨率，波長范圍，損壞閾值，接收口徑等參數是需要確認的參數。此外，制冷方式也是主要考慮的問題。

3.1讀數量程

功率計的量程是大多數使用者關心，也直觀的參數，原則上來講，只要功率不超過量程，都可以長時間測量。但同時也要注意兩點：

1、不是超過量程的功率都不能測量。量程是由電路決定，但根本原因卻是探頭散熱問題。有的電路設計規定量程就是大讀數，超過這個讀數就顯示OVERLOAD。這樣做顯然是出于保護探頭目的。根據探頭散熱能力來設置電路的大顯示讀數就是所謂的量程。現在也有的功率計為了滿足更多的應用，設計相對人性化。在超過額定量程以上還能讀數。因為即使散熱不足，在短時間內，熱電探頭仍然可以正常使用。這樣，無疑擴展了功率計的應用范圍。

2.、當然，也并不是說低于量程的功率都能測量。因為量程越大，讀數噪聲也越大，這樣，對于噪聲級別，甚至低于噪聲的功率顯然無法測量。

因此，要結合實際讀數的需求來選擇合適量程的探測器。

3.2靈敏度和分辨率

這也是容易搞混的兩個概念。都是在測量小功率的時候必然會考慮的問題。

靈敏度小可以測量的小功率值。也就是能從噪聲中分辨出來的讀數，因此，基本上靈敏度就等同于噪聲值。

分辨率是讀數小的改變量。

在某些情況下靈敏度和分辨率可能相同，在某些情況下靈敏度的數值大于分辨率。

3.3波長范圍

光功率計的工作波長主要受工作物質以及電路設計決定。工作物質決定了該功率計能夠實現的大工作范圍。例如：硅材料的光電探頭，響應波長是200-1100nm；InGaAs材料的工作范圍是700-1800nm；熱電材料響應波長通常是0.19-11µm或25µm。而由于校準數據的問題，電路往往會將探測器工作波長限制在更小的范圍。

任何功率計在使用之前都必須經過校準。熱電堆的膜層吸收了多少熱量，進而產生了多大的電壓，也就是說產生的電信號對應多少光功率必須經過標定。大多數膜層對于不同波長的吸收系數是不同的。但總體來說，熱電堆膜層對不同波長的響應度相對于光電探測器來說，還是平穩的多，通常都在80-90%左右。因此，對于寬光譜光源的測量，熱電探測器比光電探測器*得多。

3.4損壞閾值

經常有人使用功率計的時候會出現膜層被打白甚至是打出壞點的情況。這就是膜層的閾值問題。閾值不夠高，或者激光的能量密度超過閾值了。在選擇功率計時應該選擇硬度更高（閾值高）的膜層材料，現在已經出現了能夠承受12KW/cm²的超硬材料。和使用功率時，應該估算激光的參數，使功率以及能量密度遠低于膜層的損壞閾值。才能使功率計長命百歲。降低功率及能量密度的方法，就是增加光斑尺寸，切忌將功率計放在激光的焦點上進行測量。對于聚焦的光斑，應該離焦進行測量。對于準直光束，如果超過閾值了，就必須用擴束鏡進行擴束。光斑越大，被打壞的概率越低，探測器越安全。

3.5接收口徑

光斑直徑大，對探測器的使用安全來說是好事，但對測量就造成了壓力。探測器只有接收到所有的光斑能量，才能測量出整個光束的功率值。

我們以高斯光束為例，如果接收口徑達到高斯光斑直徑的1.5倍，也就是光斑直徑為接收口徑的70%，則接收了99%的能量。因此，光斑直徑盡量不要超過接收口徑的70%。所以，探測器口徑越大，越容易接收光斑。通常大口徑的功率計是很受歡迎的。光電探頭的口徑通常較小，不過對于弱光測量來說也是足夠的；熱電堆功率計可以做的很大，往往功率低的口徑小，功率高的由于要降低待測光束的功率/能量密度，往往口徑比較大。

3.6制冷方式

光功率計的制冷方式由三種：傳導，風冷和水冷。

光電功率計和低功率的熱電堆功率計只需要傳導就可以有效的散熱。所謂的傳導就是通過內置的熱沉或者外置的散熱片將激光產生的熱量傳導出去，以免熱量聚集造成探頭損壞。

中等功率的，例如百瓦級功率計，只靠傳導已經無法有效散熱，需要通過加裝風扇來將熱量帶走，這種方式成為強制風冷。

散熱效率的是水冷，象幾千萬的功率計，只能靠水冷才能及時把激光產生的熱量帶走。而且激光功率越高，要求的水流量越大。當然，還是那句話，魚和熊掌，不可兼得。水冷確實制冷效果好，但是需要循環自來水或者水冷機，使用比較麻煩。還得注意水的溫度，水溫不同，讀數還會有差異。功率校準都是在某一特定水溫下進行的。

四、常見問題

水冷確實是很麻煩的事情。你可以想象一下，你賣一臺激光切割機給客戶，出了問題需要售后，需要現場檢測一下激光功率，難道你還背一個大水箱到客戶那里去給功率計制冷？為解決這個問題，比較實際的解決辦法是使用一個功率探針。現在已經有萬瓦級功率探針。功率探針不需要水冷，價格還便宜的多，是售后服務的利器。

探針 IPL探針

需要水冷的功率計，往往量程都比較高，這種功率計的噪聲也會比較大。當然，對于千瓦級的功率，去追究10W，20W的功率準確度也沒有任何意義。這個數值的數值貌似比較大，但相對數值較小。對上千瓦的功率來說，10W，20W的功率值只占1-2%的，比±5%的校準準確度還小，是可以忽略的。

對于大功率的探測器而言，讀數的波動主要由電路噪聲引起，而對于小功率的探測器來說，引起讀數波動和不準確的不僅僅是噪聲，還有背景光的影響。我們環境光作用在探測器接收面上的光大概是微瓦級別，因此，在測弱光的時候需要扣除背景光的影響，也就是通常說的歸零。以前曾經看見有人歸零的時候用東西擋在探測器的接收面上，然后歸零。這種做法是不對。因為你擋住探測器進行歸零，再放開功率計以后，實際探測的是激光功率加背景光的總功率。正確的方法是關掉或者擋住激光器，在環境光照射的情況下進行歸零，這樣，當激光器打開的時候，測量到的才是扣除環境光以后的激光功率。

除了測量方法，還要注意功率計的保養。吸收膜層不能用手摸，避免汗漬影響功率讀數；不能用硬物刮刺損傷膜層；也不能沾上水漬。特別是水冷的時候要注意是否漏水。一旦有水漬濺到膜層表面，不能直接用激光打到探測面上，應用吹風機吹干后再進行測量。

五、結語

功率計結構雖然簡單，但無論是選配，使用方面都是有講究的。除了以上說的內容，還有一些方面還值得我們注意，例如校準問題以及激光安全問題。

由于環境，人為等因素可能造成讀數的誤差，原則上來講，光功率計應該每年校準一次。校準必須是是有源可溯，通常是符合美國NIST標準或者德國PTB標準。盡管如此，由于在源的傳遞過程中仍然會造成誤差，因此，不同品牌的光功率計可能讀數上會略有不同。中低量程功率計±3%，高量程（千瓦級）±5%的誤差也是符合NIST標準的。

目前有激光器的地方就有功率計，功率計已經是比較普及的測量工具。安全問題是在激光使用中始終必須注意的。要知道，功率計只吸收80-90%的光，其他的光都散射掉了，對人眼是個嚴重威脅。規范的操作是，對于CLASSIII以上的激光功率時，操作者必須帶上護目鏡。因為激光造成的眼部損傷是不可逆的。筆者就有兩個朋友的眼睛被激光打壞了，太慘了。