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浅析如何选取激光功率计和能量计

导读: 激光功率和能量计主要用来测量光源的输出。无论光发射是来源于弱光源(如荧光),还是来源于高能量的脉冲激光器,功率和能量计都是实验室、生产部门或是工作现场等多种应用环境中必不可少的工具。

  如何选取激光功率

  激光功率和能量计主要用来测量光源的输出。无论光发射是来源于弱光源(如荧光),还是来源于高能量的脉冲激光器,功率和能量计都是实验室、生产部门或是工作现场等多种应用环境中必不可少的工具。

  虽然功率计和能量计是分别提供的,但随着能够适用大量不同类型的光学传感器的通用型仪表盘或显示装置的发展,它们也被合起来称作单独的一类仪器——功率和能量计,或PEM。仪器所采用的光学传感器的类型,决定了其能测量光功率还是光能量,通常单位分别瓦特(W)或焦耳(J)。具体来讲,功率计能够测量连续波(CW)或者重复脉冲光源,其所使用的传感器通常是热电堆或光电二极管。能量计则通常用于测量脉冲激光,即单脉冲或者重复脉冲光源,其所使用的传感器包括热释电、热电堆,或者带有专门为测量脉冲光源而设计的电路的光电二极管。

  系统配置

  一些制造商将功率或能量计分为具有控制和示值读数功能的测量部分(或仪表盘)和传感器部分(也称为探测器或探头),两者结合在一起就组成一套“测量系统”。另一些厂商将这两者统称为测量仪。无论哪种分类方式,传感器都存储有校准信息,仪表盘则测量传感器的输出电流,并参考校准表来输出数据。

  在某些配置中,仪表盘会作为探测器与用户之间的接口,通过RS-232或者USB连接方式直接向电脑传输测量数据,在这种情况下,显示装置就不再是必需的了。测量数据可能包括功率、差值、总和、线性、对数值和几个通道同时衰减的曲线。大部分PEM仪表盘是数字式的,但是对于功率只有小幅波动的应用而言,模拟式测试仪就足以胜任了。

  传感器的选择比较复杂。目前市场上应用的三种主要传感器类型有:光电二极管、热传感器和热释电传感器。光电二极管传感器由光电二极管和ND)滤光片组成,以确保入射到探测器上的功率能够保证传感器线性工作,其中光电二极管通常选用硅(Si)、锗(Ge)或铟砷化镓等材料,每种光电二极管具有不同的峰值波长和响应范围。每个光电二极管在不同的波长处具有不同的响应度。响应度的单位是A/W,代表了传感器将入射光转换为电流的效率。具有快速响应时间的传感器对波长敏感,因此最适用于测量低功率激光。

  热传感器通过将入射光转换成热能来测量功率或能量。热传感器在186nm~10.6μm的波长范围内具有平坦的光谱响应,因此其适用于多波长或者非单色光的测量。光电二极管也可以测量紫外(UV)到红外(IR)波段的波长,但是其在不同波长处具有不同的响应度,因此必须将激光波长输入测量仪以获得正确的读数。在1800 nm或更长的波长处,热探测器通常是唯一的选择。热传感器可以承受高功率激光,但是如果功率变化范围较大的话,则需要几秒钟才能达到平衡。由于不像光电二极管那样灵敏,因此热传感器不适合用于低功率测量。

  热释电传感器通过将光脉冲能量转换成电压信号来测量脉冲能量。热释电传感器能响应较宽的波长范围,但是其响应曲线不如热传感器那么平坦。热释电传感器只能测量脉冲光源,并有最小带宽要求以使传感器能够“看到”脉冲。

  目前市场上的许多功率和能量计都兼容这三类传感器(见图1)。如果将通用型仪表盘和功率传感器一起使用,这套装置就是功率计;如果将通用型仪表盘和能量传感器一起使用,这套装置就是能量计。

  图 1:Thorlabs公司为自由空间和光纤应用设计的PM100D功率计,可以兼容超过25种不同的功率和能量传感器。根据所选取的传感器,其可测量的光功率范围为100pW~250W,可测量的能量范围为3μJ~15J。当与新型超紧凑的S150C系列光纤传感器一起使用时,PM100D就变成了一款紧凑便携的光纤功率计,是现场和实验室应用的理想选择。

 

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