关键词：激光 功率计 测量

一、引言

世界是多元的，我们激光领域的发展也势必向多元的方向发展。随着激光技术的进步，各种的指标也不断被刷新。有追求高功率的，有追求短脉冲宽度的，也有追求极短或者更长波长的．．．．．．一言难尽。篇幅有限，无法面面俱到，我们暂且结合某一方向进行阐述。就目前而言，工业应用中，激光功率越来越高的趋势日益明显。激光功率越来越高，各种可用于激光功率探测的新型材料也不断涌现。

这里我们从原理出发，对功率计进行分类，了解各种功率计的特点，才能正确地使用功率计。

二、光功率计的分类

这里我们讨论的是光功率计，测量光功率的称为光功率计。电功率计不在我们的讨论范畴（chóu）。

光功率计按工作原理分两大类：光电功率计和热电功率计。

2.1光电功率计

光电功率计的本质是光电探测器，是基于半导体材料的光电效应。

简单说来就是当光照在半导体材料上时，产生光电流，根据光电流的大小即可判断光的强弱。由于光电效应的效率较高，因此可以获得比较高的灵敏度，用来测量功率比较低的激光。这里有一点要说明的是，半导体材料对于不同波长的光，光电效率是不同的。

从上图可见，波长不同，半导体材料的光电响应也不同，而且差别很大。因此，如果用光电探测器来测量激光的功率，必须选择合适的校准系数。不同波长下的读数差别很大。显然，如果测量对象是宽光谱光源，例如自然光，白炽灯，日光灯等，简单用任何单一波长下的校准系数进行校准都是缺乏依据的，不可靠的。在这种情况下，光电功率计只能用来监测光强的相对变化（变强了还是变弱了），而无法获取一个可靠的数值。测量宽光谱光源比较可靠的方法是用热电探头。

2.2热电功率计

准确说来，是热电堆功率计。之所以强调这一点，是因为现在有很多人，有相当一部分人还没搞清楚热释电和热电堆的区别。这里请允许我占用一点篇幅来区别这两种探测器。

热释电探测器是根据热释电材料在不同温度下的热释电材料会产生极化现象，也就是产生电势差。由于极化速度非常快，因而可以根据电势差的变化来判断温度的变化，进而推断光瞬时功率的变化，积分以后就是单脉冲的能量。因此，热释电探测器是用来测量脉冲能量的，而不适合用来测量功率。例如，一个连续的激光器打到热释电探测器上，由于温度始终保持恒定，因此实际上不会产生瞬时极化，也就不会有电压读数。

而热电堆探测器是由热电偶组成的列阵。由于光功率打到热电偶的热端，从而使热电偶热端和冷端产生温差，进而产生电压。温度差的存在会使电压一直存在。实际上探测到的是达到热平衡以后的温度差，也就是平均功率值。也就是说热电堆的工作原理和热释电恰恰相反，热释电测量的是根据瞬时光强的变化测量能量，而热电堆测的是达到热平衡以后的平均功率。

热电堆探测器的原理图

由于在实际应用中，需要测量功率的情况远多于测量能量。高重频激光器可以用平均功率来计算脉冲能量（E=P/f，E是能量，P是功率，f是重复频率）；连续激光器不存在脉冲能量的概念；只有在特别低重复频率（例如5Hz，8Hz）或者单发（Singleshot）的情况下才需要测量能量。因此我们这里主要介绍功率测量用的热电堆探测器。而且，即使是单发（Singleshot）的能量，现在有些的热电堆也能够通过积分热电偶的电压变化量来进行测量。

三、光功率计的使用

光功率计的使用必须和激光器参数相匹配。读数量程，灵敏度和分辨率，波长范围，损坏阈值，接收口径等参数是需要确认的参数。此外，制冷方式也是主要考虑的问题。

3.1读数量程

功率计的量程是大多数使用者关心，也直观的参数，原则上来讲，只要功率不超过量程，都可以长时间测量。但同时也要注意两点：

1、不是超过量程的功率都不能测量。量程是由电路决定，但根本原因却是探头散热问题。有的电路设计规定量程就是大读数，超过这个读数就显示OVERLOAD。这样做显然是出于保护探头目的。根据探头散热能力来设置电路的大显示读数就是所谓的量程。现在也有的功率计为了满足更多的应用，设计相对人性化。在超过额定量程以上还能读数。因为即使散热不足，在短时间内，热电探头仍然可以正常使用。这样，无疑扩展了功率计的应用范围。

2.、当然，也并不是说低于量程的功率都能测量。因为量程越大，读数噪声也越大，这样，对于噪声级别，甚至低于噪声的功率显然无法测量。

因此，要结合实际读数的需求来选择合适量程的探测器。

3.2灵敏度和分辨率

这也是容易搞混的两个概念。都是在测量小功率的时候必然会考虑的问题。

灵敏度小可以测量的小功率值。也就是能从噪声中分辨出来的读数，因此，基本上灵敏度就等同于噪声值。

分辨率是读数小的改变量。

在某些情况下灵敏度和分辨率可能相同，在某些情况下灵敏度的数值大于分辨率。

3.3波长范围

光功率计的工作波长主要受工作物质以及电路设计决定。工作物质决定了该功率计能够实现的大工作范围。例如：硅材料的光电探头，响应波长是200-1100nm；InGaAs材料的工作范围是700-1800nm；热电材料响应波长通常是0.19-11µm或25µm。而由于校准数据的问题，电路往往会将探测器工作波长限制在更小的范围。

任何功率计在使用之前都必须经过校准。热电堆的膜层吸收了多少热量，进而产生了多大的电压，也就是说产生的电信号对应多少光功率必须经过标定。大多数膜层对于不同波长的吸收系数是不同的。但总体来说，热电堆膜层对不同波长的响应度相对于光电探测器来说，还是平稳的多，通常都在80-90%左右。因此，对于宽光谱光源的测量，热电探测器比光电探测器*得多。

3.4损坏阈值

经常有人使用功率计的时候会出现膜层被打白甚至是打出坏点的情况。这就是膜层的阈值问题。阈值不够高，或者激光的能量密度超过阈值了。在选择功率计时应该选择硬度更高（阈值高）的膜层材料，现在已经出现了能够承受12KW/cm²的超硬材料。和使用功率时，应该估算激光的参数，使功率以及能量密度远低于膜层的损坏阈值。才能使功率计长命百岁。降低功率及能量密度的方法，就是增加光斑尺寸，切忌将功率计放在激光的焦点上进行测量。对于聚焦的光斑，应该离焦进行测量。对于准直光束，如果超过阈值了，就必须用扩束镜进行扩束。光斑越大，被打坏的概率越低，探测器越安全。

3.5接收口径

光斑直径大，对探测器的使用安全来说是好事，但对测量就造成了压力。探测器只有接收到所有的光斑能量，才能测量出整个光束的功率值。

我们以高斯光束为例，如果接收口径达到高斯光斑直径的1.5倍，也就是光斑直径为接收口径的70%，则接收了99%的能量。因此，光斑直径尽量不要超过接收口径的70%。所以，探测器口径越大，越容易接收光斑。通常大口径的功率计是很受欢迎的。光电探头的口径通常较小，不过对于弱光测量来说也是足够的；热电堆功率计可以做的很大，往往功率低的口径小，功率高的由于要降低待测光束的功率/能量密度，往往口径比较大。

3.6制冷方式

光功率计的制冷方式由三种：传导，风冷和水冷。

光电功率计和低功率的热电堆功率计只需要传导就可以有效的散热。所谓的传导就是通过内置的热沉或者外置的散热片将激光产生的热量传导出去，以免热量聚集造成探头损坏。

中等功率的，例如百瓦级功率计，只靠传导已经无法有效散热，需要通过加装风扇来将热量带走，这种方式成为强制风冷。

散热效率的是水冷，象几千万的功率计，只能靠水冷才能及时把激光产生的热量带走。而且激光功率越高，要求的水流量越大。当然，还是那句话，鱼和熊掌，不可兼得。水冷确实制冷效果好，但是需要循环自来水或者水冷机，使用比较麻烦。还得注意水的温度，水温不同，读数还会有差异。功率校准都是在某一特定水温下进行的。

四、常见问题

水冷确实是很麻烦的事情。你可以想象一下，你卖一台激光切割机给客户，出了问题需要售后，需要现场检测一下激光功率，难道你还背一个大水箱到客户那里去给功率计制冷？为解决这个问题，比较实际的解决办法是使用一个功率探针。现在已经有万瓦级功率探针。功率探针不需要水冷，价格还便宜的多，是售后服务的利器。

探针 IPL探针

需要水冷的功率计，往往量程都比较高，这种功率计的噪声也会比较大。当然，对于千瓦级的功率，去追究10W，20W的功率准确度也没有任何意义。这个数值的数值貌似比较大，但相对数值较小。对上千瓦的功率来说，10W，20W的功率值只占1-2%的，比±5%的校准准确度还小，是可以忽略的。

对于大功率的探测器而言，读数的波动主要由电路噪声引起，而对于小功率的探测器来说，引起读数波动和不准确的不仅仅是噪声，还有背景光的影响。我们环境光作用在探测器接收面上的光大概是微瓦级别，因此，在测弱光的时候需要扣除背景光的影响，也就是通常说的归零。以前曾经看见有人归零的时候用东西挡在探测器的接收面上，然后归零。这种做法是不对。因为你挡住探测器进行归零，再放开功率计以后，实际探测的是激光功率加背景光的总功率。正确的方法是关掉或者挡住激光器，在环境光照射的情况下进行归零，这样，当激光器打开的时候，测量到的才是扣除环境光以后的激光功率。

除了测量方法，还要注意功率计的保养。吸收膜层不能用手摸，避免汗渍影响功率读数；不能用硬物刮刺损伤膜层；也不能沾上水渍。特别是水冷的时候要注意是否漏水。一旦有水渍溅到膜层表面，不能直接用激光打到探测面上，应用吹风机吹干后再进行测量。

五、结语

功率计结构虽然简单，但无论是选配，使用方面都是有讲究的。除了以上说的内容，还有一些方面还值得我们注意，例如校准问题以及激光安全问题。

由于环境，人为等因素可能造成读数的误差，原则上来讲，光功率计应该每年校准一次。校准必须是是有源可溯，通常是符合美国NIST标准或者德国PTB标准。尽管如此，由于在源的传递过程中仍然会造成误差，因此，不同品牌的光功率计可能读数上会略有不同。中低量程功率计±3%，高量程（千瓦级）±5%的误差也是符合NIST标准的。

目前有激光器的地方就有功率计，功率计已经是比较普及的测量工具。安全问题是在激光使用中始终必须注意的。要知道，功率计只吸收80-90%的光，其他的光都散射掉了，对人眼是个严重威胁。规范的操作是，对于CLASSIII以上的激光功率时，操作者必须带上护目镜。因为激光造成的眼部损伤是不可逆的。笔者就有两个朋友的眼睛被激光打坏了，太惨了。