浅析如何选取激光功率计和能量计

确测量。Lasermet公司带有积分球的光电二极管探头，通常能够测量的功率小至1μW；紧凑型探头能够测量的功率小至1nW，光束可以直接照射到这种光电二极管上（见图2）。热探头通常可以测量的功率低至1mW。

　　图2：Lasermet公司的手持式ADM1000数字式测量仪，通过热探头和光电二极管探头，能在较宽的波长范围内测量功率和能量，并可以选择是否配备积分球。配备的加速电路可在700ns内获得最终读数10％以内的响应度。ADM1000可用于测量、显示高达400kHz的脉冲波形。

　　对于高功率光源，Lasermet公司的光电二极管探头通常可以测量的最大功率为1W，如果采用滤光片截止掉90％或者99％的光束（尽管这将引起反射并且会影响测量的准确度），则可以测量更高的功率。热探头可以测量的功率高达20W，特制的热探头可以测量功率高达100W甚至几千瓦的激光。

　　光电二极管拥有最快的响应速度。Lasermet公司的IPDH-10S和IPDH-10C光电二极管与ADM1000一起使用时，频率响应可达到400kHz，这比市场上其他任何探测器的响应速度大约快1000倍。这样的响应速度能够分离和显示单脉冲波形，并且可以测量出单脉冲的能量。

　　光电二极管也提供了更高的热稳定性，而热探测器则容易受到热干扰和热漂移的影响，因此更难准确使用。目前市场上已经有一些热探测器结合了温度稳定技术，从而大大减少了热漂移。

　　关键指标

　　选择PEM时首先要考虑的指标是传感器的波长范围以及对功率和能量的测量范围。测量仪应该能够在未饱和的状态下给出测量值。通常饱和电流在10mA量级（峰值响应处的功率约为10mW）。高功率的测量通常采用积分球或光衰减器来降低饱和。系统的另一个重要指标是最低可测量的功率/能量水平处的信噪比。典型的噪声水平在几mW量级，高灵敏度模块可测量的功率低至1μW。

　　在挑选了合适的探头来测量激光或宽带光源后，下一个要考虑的问题是破坏阈值。用户需要了解被测量的功率和能量密度，以免探头被破坏。这需要了解光斑尺寸以及能量分布。高斯光束在光束顶部具有非常高的功率/能量密度。

　　脉宽是测量脉冲激光时需要考虑的一个关键因素。大多数传感器具有不同的基于峰值功率的破坏阈值；当脉冲能量相同时，短脉冲相比较而言将具有高得多的峰值功率，更容易破坏传感器。对于高于破坏阈值的应用 ，用户可采用的衰减手段包括分光器、漫反射和中性滤光片等。

　　另一个重要的指标是不确定度，这关系到准确性和一致性。大多数公司根据美国标准技术协会（NIST）制定的标准对其仪器进行校准，这些标准提供了基于标准物理常数的不确定度，例如水中的温升。准确度的误差应以百分比的形式对每个传感器和显示器进行标注（见图3）。

　　图3：OSI公司的Juno是一种多功能紧凑型PEM，其与OSI公司的所有“智能型”热释电、热电堆和光电二极管传感器兼容。Juno的波长测量范围从紫外到远红外，能量测量范围从100fJ到几百焦，功率测量范围从10pW到10kW，光源的重复频率可高达10kHz。Juno通过USB接口将笔记本或台式电脑转换成一个激光PEM，是现场和实验室应用的理想选择，另外其也可作为内置的OEM传感器。

　　每种型号的探头和测量仪器的关键指标的工作范围相差巨大。选择的关键是要使激光器或光源的输出参数与探测器和仪器的指标相匹配，即测量仪器的指标应该覆盖激光器的输出参数。

　　权衡与取舍

　　选择PEM时需要进行许多权衡与取舍。例如，如果用户需要测量光束直径小的高功率激光，就需要具有高损伤阈值的探头。但是具有高损伤阈值的PEM的灵敏度并不高，所以无法用同一个探头读取极高和极低的功率。用于更高读数的能量探测器也会碰到同样的情况。此外，某些特定产品可以测量单个脉冲的高能量，但是它们只能在低重复频率下工作，不能在高功率下应用。因此，在实际应用中，用户需要根据具体情况进行一定的权衡。

　　虽然PEM已经出现了很长一段时间，但激光和太赫兹源技术的新进展，已经为光源测量创造了新的挑战，这些测量需要独特的传感器和仪器。自从高重复频率DPSS和光纤激光器出现以来，测量和控制重复频率为100kHz甚至更高频率的脉冲激光器的输出，曾一度让人们面临很大的困难。Gentec-EO公司宣称其Mach 5是一款能够很好解决上述需求的数字焦耳计，希望广大用户真正能从中受益