如何選取激光功率計(jì)和能量計(jì)？
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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(lèi)型的光學(xué)傳感器的通用型儀表盤(pán)或顯示裝置的發(fā)展，它們也被合起來(lái)稱(chēng)作單獨(dú)的一類(lèi)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(lèi)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(zhuān)門(mén)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(pán)）和傳感器部分（也稱(chēng)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(chēng)為測(cè)量?jī)x。無(wú)論哪種分類(lèi)方式，傳感器都存儲(chǔ)有校準(zhǔn)信息，儀表盤(pán)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(pán)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(pán)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(lèi)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，因此最適用于測(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)器通常是唯一的選擇。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，并有最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(lèi)傳感器（見(jiàn)圖1）。如果將通用型儀表盤(pán)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(pán)和能量傳感器一起使用，這套裝置就是能量計(jì)。
圖 1：Thorlabs公司為自由空間和光纖應(yīng)用設(shè)計(jì)的PM100D功率計(jì)，可以兼容超過(guò)25種不同的功率和能量傳感器。根據(jù)所選取的傳感器，其可測(cè)量的光功率范圍為100pW~250W，可測(cè)量的能量范圍為3μJ~15J。當(dāng)與新型超緊湊的S150C系列光纖傳感器一起使用時(shí)，PM100D就變成了一款緊湊便攜的光纖功率計(jì)，是現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用的理想選擇。
這部分內(nèi)容將介紹哪些類(lèi)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(lèi)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)器最適合短脈沖（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，最好要提前與產(chǎn)品專(zhuān)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。
圖2：Lasermet公司的手持式ADM1000數(shù)字式測(cè)量?jī)x，通過(guò)熱探頭和光電二極管探頭，能在較寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)測(cè)量功率和能量，并可以選擇是否配備積分球。配備的加速電路可在700ns內(nèi)獲得最終讀數(shù)10％以內(nèi)的響應(yīng)度。ADM1000可用于測(cè)量、顯示高達(dá)400kHz的脈沖波形。
評(píng)論