文/Bernhard Neumann，Steve Wright 德國(guó)Artifex Engineering公司
譯/北京歐普特科技有限公司
激光功率測(cè)量可以采用不同類型的傳感器。本文介紹兩種適用于高功率測(cè)量的系統(tǒng)。
傳感器類型決定功能
激光光功率的測(cè)量是經(jīng)由傳感器將光功率轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電流或電壓來(lái)完成。傳感器的物理原理將會(huì)最終決定儀器的功能。兩種標(biāo)準(zhǔn)傳感器可用于激光功率測(cè)量：
熱電堆傳感器
熱電堆傳感器有許多熱電偶排列組成。熱電偶之間通過(guò)熱并聯(lián)和電串聯(lián)連接。由于單個(gè)熱電偶的熱靈敏度（V/°C）很低，所以實(shí)用性傳感器必須由多個(gè)熱電偶排列組成。
探測(cè)器表面有涂層，為鈍化深黑色吸收材料。涂層的目的就是在不受波長(zhǎng)限制下盡量吸收更多的入射激光功率。
鑒于熱電堆的構(gòu)成，其一些特點(diǎn)也顯現(xiàn)出來(lái)：
● 熱電堆有很低的感光靈敏度；
● 周圍熱源可能會(huì)引起測(cè)量誤差。一般的熱源可能來(lái)自附近風(fēng)冷設(shè)備排除的熱風(fēng)或者是持有傳感器的手。這就限制其對(duì)低功率（小于幾個(gè)毫瓦）的測(cè)量。另一方面，如果傳感器表面沒(méi)有被損壞以及排熱良好，熱電堆還是比較適于高功率測(cè)量的；
● 表面吸收材料對(duì)于測(cè)量很重要。然而涂層會(huì)隨著時(shí)間推移而褪掉，進(jìn)而引起校準(zhǔn)失效；
●對(duì)于基于熱流的測(cè)量，熱電堆反應(yīng)非常慢。響應(yīng)時(shí)間通常>1 s。
光電二極管傳感器
光電二極管是通過(guò)存在于兩電極（陽(yáng)極和陰極）之間的電勢(shì)差工作的半導(dǎo)體器件。兩個(gè)電極由器件兩個(gè)針腳引出的細(xì)線電聯(lián)接。由于該結(jié)構(gòu)的物理敏感性，該器件被封裝在一個(gè)包含可通光保護(hù)窗口的金屬殼內(nèi)。
從光電二極管的結(jié)構(gòu)可以清楚的了解其特點(diǎn)：
●由于光量子直接轉(zhuǎn)換為電流，所以光電二極管對(duì)光靈敏度非常高。通常光量子效率接近100%。這就使功率測(cè)量可以達(dá)到毫微微瓦范圍。也就是其測(cè)量的最大功率限制在幾毫瓦以下，否則飽和：即產(chǎn)生的電流不再與輻射功率成比例。
●硅是用于可見(jiàn)光范圍測(cè)量的材料，原料充足價(jià)格便宜。但是，由于用于近紅外的材料鍺和InGaAs價(jià)格非常昂貴。因此，傳感器的尺寸受到極大限制。
●半導(dǎo)體材料有很高的折射率，所以會(huì)導(dǎo)致入射光束較大的反射。由于表面非常平整，所以器件會(huì)在一定程度上充當(dāng)反射鏡，進(jìn)而導(dǎo)致安全隱患或者給測(cè)量設(shè)置造成困難。
●保護(hù)窗口充當(dāng)一個(gè)不穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)量具。入射光角度和入射位置的差異會(huì)使光電二極管呈現(xiàn)不同的總靈敏度[3]。
因?yàn)樘綔y(cè)器面積?。ㄔS多高功率激光器的波長(zhǎng)在NIR范圍）而且只能測(cè)量最大為mW級(jí)的功率，似乎此時(shí)可以斷定光電二極管不適用于高功率激光器的測(cè)量。因此許多從業(yè)者只能妥協(xié)，選擇使用熱電堆傳感器。
但是，如果既想要測(cè)量的高分辨率，又要有寬動(dòng)態(tài)范圍，還要能快速測(cè)量，該怎么辦呢？
積分球
積分球彌補(bǔ)了上述光電二極管和熱電堆的缺陷。積分球?yàn)闊o(wú)源器件，是一個(gè)有著幾個(gè)開(kāi)口（端口）的空心球體。開(kāi)口用于激光束的輸入和輸出。
空心球體的內(nèi)表面由高反材料制成，可對(duì)入射光進(jìn)行高度散射。因此，入射激光束會(huì)經(jīng)歷多次強(qiáng)漫反射，最后被均勻散射到整個(gè)球面。
空心球體由適于250 nm-2.5 µm的特殊聚合物做成。涂有硫酸鋇（BaSO4）的鋁制球體價(jià)格雖然便宜，但是隨著時(shí)間推移顏色會(huì)發(fā)黃，所以不適于精確的激光功率測(cè)量。
對(duì)于波長(zhǎng)范圍700 nm-20 µm的測(cè)量，采用在金屬表面鍍金的方式。許多高功率激光器的光譜范圍在700 nm-20 µm，所以，銅和鋁是兩種比較好的導(dǎo)熱基底材料。
光電二極管固定于積分球球壁，它只接收進(jìn)入積分球的部分激光功率，接收到激光發(fā)生了以下重要改變：
● 功率密度完全均勻；
●照射為非偏振光，即使入射輻射為偏振光；
●傳感器上所接受的功率已經(jīng)被極大削弱。
由此可見(jiàn)，積分球和光電二極管可以組合成一個(gè)激光功率傳感器，它既可以像光電二極管一樣反應(yīng)靈敏，又可以檢測(cè)相當(dāng)大的功率。不同尺寸的積分球，對(duì)應(yīng)不同的系統(tǒng)靈敏性。
另外，此時(shí)的探測(cè)器不再受功率密度是否均勻和偏振的約束，也不再受入射光入射角度和入射位置的約束。
因?yàn)楣怆姸O管自身尺寸不是限制因素，所以積分球可以用于較大光束直徑的測(cè)量。由于積分球內(nèi)表面面積比其輸入孔徑至少大20倍，所以其內(nèi)壁接收的功率密度要遠(yuǎn)小于熱電堆表面接收的功率密度。積分球內(nèi)表面材料可以承受較高的功率密度，而且不會(huì)隨時(shí)間推移而發(fā)生變化。
位于積分球上的其他測(cè)量端口可為進(jìn)一步應(yīng)用提供便利。例如：光纖接口可以用于激光光譜的同步測(cè)量。
應(yīng)用示例
舉個(gè)例子，我們可以使用一個(gè)配有水冷系統(tǒng)的、內(nèi)徑100 mm的銅制鍍金積分球，測(cè)量用于材料加工的5 kW 盤式激光器實(shí)時(shí)功率波動(dòng)。 由于該功率等級(jí)的激光會(huì)導(dǎo)致積分球發(fā)熱，所以光電二極管未安裝于積分球上。
光電二極管的溫度變化會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的不精確。因此，通過(guò)積分球的SMA光纖接口，使用光纖與光功率計(jì)（OPM150 光功率計(jì)）連接。整個(gè)系統(tǒng)（積分球-光纖-OPM150光功率計(jì)）作為一個(gè)整體進(jìn)行校準(zhǔn)，確保了精確的功率測(cè)量。光功率計(jì)通過(guò)USB供電和控制，極大減少了線纜的使用（只需一根USB線和兩根水管）
通過(guò)該系統(tǒng)可以看到激光器在2.5 kW非常穩(wěn)定。但是當(dāng)功率增大到最大功率時(shí)（5 kW），會(huì)看到一個(gè)約為1.5%的長(zhǎng)期波動(dòng)。
另外，可以看到輸出功率一個(gè)約為0.7%的更快波動(dòng)。注意，這個(gè)更快波動(dòng)是在一個(gè)用熱電堆探測(cè)器無(wú)法檢測(cè)到時(shí)間尺度上。
總結(jié)
由積分球和光電二極管組合成的傳感器呈現(xiàn)出了一個(gè)幾近完美的激光功率測(cè)量傳感器。對(duì)于高功率激光器的測(cè)量，該組合可以讓操作者看到熱電堆探測(cè)器無(wú)法捕捉到的激光功率波動(dòng)。這些波動(dòng)包括：CW模式運(yùn)行其間波動(dòng)，啟動(dòng)激光器時(shí)的瞬態(tài)和過(guò)沖波動(dòng)，以及運(yùn)行其間的短時(shí)下降波動(dòng)。
另外，由于測(cè)量不受光束發(fā)散度約束，積分球可以用于基于激光應(yīng)用的測(cè)量，比如：在折射物和散射物的傳輸。例如：積分球可以測(cè)量激光可焊接塑料材料的傳輸，從而確定焊接激光器的最佳運(yùn)行參數(shù)。
參考文獻(xiàn)：
[1]:http://bildungsserver.hamburg.de/physik/unterricht/experimente/2584640/00522-thermosaeule/
[2]: „Pin-Photodiode“ from Kirnehkrib – own work. Licenced under CC BY-SA 3.0 by Wikimedia Commons https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pin-Photodiode.png#/media/File:Pin-Photodiode.png
[3]: L.P.Boivin, Appl. Opt. 21(5), pp 918-923, 1982
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