激光功率的测量方案和设备

前言：项目遇到N多和激光有关的问题， 其中，最重要的是高功率激光的功率的测量和计算问题。找了长春的一家设备，结果，功率计根本无法测量大功率的激光二极管。

这里找了几篇论文查阅了一下：

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1 中国激光功率计量标准

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2 激光功率基本理论基础

2.1 激光功率：

光是一种能量，

如果，电光转化效率为100%，那么输入1W的电功率，输出为1W的激光。激光功率计是测量激光器输出激光的功率参数值的设备。根据测量激光情况的不同，激光功率计的测量的精度和范围也各不相同。与此同时，随着测量技术 的不断发展，各种激光功率测量设备所采用的结构和技术也不尽相同。这就造成 了目前在市面上各种激光功率计的测量水平和技术标准参差不齐。但总体来说， 激光功率计一般都采取数据采集、数据分析和数据显示的结构。数据采集即采用 激光功率传感设备测量不同情况下各种激光的功率值。数据分析则是利用电子处 理设备，根据基本原理和具体实验对采集的数据进行分析、处理和整理。数据显 示是把处理过的数据在数码管、液晶屏、计算机等设备上进行显示。

 

2.2 激光功率计设计原理

激光功率计设计的核心是探测器，对于探测器的设计主要有两个方面。目前， 在国内外被广泛使用的探测非工作原理有以下两种：光电原理和热电原理。我国 激光小功率计量标准器具采用的3种标准小功率计，其中两种是热电型，一种是 光电型。此外，还有光化学法、光压法、量热法、热电偶法、压电法、干涉法等。 本文主要介绍压电法和干涉法。

2.2.1 压电法

 

 

经过斩波器调制的激光照射到一个腔体的吸收窗上，吸收窗上涂有一定的 吸收材料，吸收光转化为热，热量经吸收窗传导到腔体内部，使腔体内空气产生 压力，此压力可由压电传感器转化为电信号，经过放大处理，由此电信号的大小 来标明激光功率的大小。

 

这种探测器的频谱范围很宽，灵敏度比较高，如使用10mV／Pa的驻极体，其 灵敏度可做到1mV／3．5 mW。但测量中的干扰因素比较多，容易引起测量误差。

 

2.2.2 干涉法

当玻璃被加热时，随温度升高玻璃的厚度和折射率增加，这种变化可以通过 干涉原理检测到，使用一束激光作为探测光线照射到玻璃片的表面，则探测光线 在前表面的反射光线和后表面酌反射光线之间产生干涉，由于干涉条纹的位置和 光程差相关，也就是和玻璃片的厚度及折射率相关，所以可以利用此原理测量到 玻璃片厚度及折射率的变化。

 

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3 测量激光功率的基本方法概述

激光功率计可分为光电型、热电 型两类。光电型即光电探测器；热电型除热电探测器外，尚有热电堆和量热计。

 

光电探测器由于高的灵敏度和快的响应速度，多用于探测微弱的激光功率和热电堆和量热计覆盖着从紫外到远红外宽广的光谱范围，由于高稳定性、重复性，在目前的微测试领域中仍占有相当的优势。热电探测器介于光电探测器和量热计之间，兼备二者的优点，在用于激光测量时，需考虑两点：热电探测器只对经过调制的辐射有响应，对连续辐射不灵敏；另一是探测器的窗口材料对其性能有重要影响。

 

3.1 环形量热测量方法

环形量热计也叫积分球，把激光束能量全部吸收并转换成热量，测量其温升就可得出照射激光能量。积分球是一个中空的球腔，开有一个激光入射窗口。窗口大小要与被测激光束匹配，为防止进入积分球的激光从窗口溢出，积分球直径与窗口直径比要大于10：1。为了使激光束的能量全部被积分球均匀吸收，需要在积分球中与入射窗口相对的内表面，安装光学球面全反射镜，要求具有很高的强激光损伤阈值。球面全反射镜使入射光束发散，并经过多次漫反射均匀的照射到吸收体表面，而被全部吸收。同时发散光束也降低了吸收体表面的最大功率密度，提高了探测器耐强光能力。对测量系统的吸收腔体空间结构应进行对称性设计，要求漫反射表面为朗伯反射体，以保证光吸收的面均匀性。

积分球吸收体将吸收的激光能量转换为自身热量，采用热电偶等温度传感器测量积分球温升，从而得到激光束能量。为了保证能量探测器测量激光能量的准确性，需要在吸收体周围设计绝热层，以降低吸收体与外界的热交换。为克服能量探测器冷端温度上升导致的测量误差，冷端背面也有一个与前端吸收体一样的传感器。

另外，有一种将激光功率波形测量和能量测量相结合的积分球，在积分球内壁设计多个取样孔，用光电二极管探测器测量取样的孔处的光功率波形，这种积分球的结构示意图如图2—2所示。积分球取样孔的个数和位置需要适当的选择，以避免积分球不同位置出射光功率不均匀造成的测量误差。为了保证足够的衰减率，要求积分球具有足够大的内表面积，出孔要足够小。在积分球用于窄脉冲激光束功率波形测量时，由于多次散射会使各漫散射光到达取样孔的时间不一致，积分球对入射光不但起到了衰减器的作用，而且起到了波形展宽器的作用。因此，这种情况下需要对测量得到的积分球出孔功率波形进行合理的处理，才能得到真实的入射激光的功率波形。

 

 

3.2 热交换测量方法

3.3 全吸收激光测量方法

 

全吸收能量计 的适用波段为0．31am～1．29m，绝对灵敏度优于100I．tV／J，响应时间不超过40p,s， 冷却常数小于0．0016s一， 功率负载密度 达到1010w／cm2， 能量负载密度 达到 5J／cm2，测量重复精度达到士2％。

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4 误差分析

4.1 光源误差

光电池是宽光谱范围内都响应的，因此当光电池进行光电转换时，除目标光源以外的外界杂散光和自身暗电流会对光电池测量产生影响。

光电池的测量功率范围下限到lOmw～10’13W。太高的激光束会导致响应饱和及损伤的限制。激光束的功率密度分布为：

E(，．)=毛exp(一2r2／c02) (5．5)

式中是中心点的辐射值，是距中心的距离，09是光束半径。80．5％的功率分布在半径为国的光斑内。光电池在接收强激光辐射时，可导致响应的线性变坏。

解决办法：

对于干扰光源，可将光电池放置在黑色光电探测头中，通过这样的设计一方面可以吸收外部干扰光源，另一方面可以减少外部光源的反射所带来的干扰。 当待测光源的功率值大于5mW时，激光功率计应采用扩束、毛玻璃散射或用中性滤光片来减弱透射到光电池上的激光功率密度。

 

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Ref:

1 基于ARM的智能激光器功率计研究 高然