激光测量：确保激光功率测量的准确性

只需七个简单的步骤，就可以让您像专家一样，精确且高效地测量激光功率。

文/Alexandre Charbonneau，Gentec-EO

您是否需要更准确地测量激光功率？使用激光功率探测器，该过程相对简单。但是，需要一些重要的步骤来确保测量的准确性。

适合工作的正确工具

首先要做的是选择激光功率计。有多种专业功率计可供选择，但要准确确定哪一种最有效可能会有些棘手。然而，选择正确的功率计，对于给定应用获得准确可靠的功率测量至关重要（见图1）。影响探测器技术选择的主要因素包括激光功率、光束尺寸和波长。对于脉冲激光器，单脉冲能量、重复频率和脉冲宽度也会影响选择。要找到耐用的产品，重要的是检查激光功率探测器是否能够应对能量和功率密度。

图1：测量光功率输出是关键； 此处显示的是激光技术人员使用Gentec-EO的MAESTRO功率和能量表头，测量千瓦级光纤激光器的功率。

了解激光功率探测器技术的优缺点也很重要，以确保给定应用的最佳结果（见表1）。

 

Pros and cons of laser power detector technologies

表：激光功率探测器技术的优点和缺点

Pros Cons——优点 缺点

Thermopile ——热电堆

• Broadband

• Wide range of measurable power (from sub-milliwatts to a few kilowatts)

• High damage thresholds

- 宽带

- 可测量的功率范围广（从亚毫瓦到几千瓦）

- 损坏阈值高

• Slower than photodiodes

• Sensitive to heat fluctuations

- 比光电二极管慢

- 对热波动很敏感

Photodiode ——光电二极管

• Very low noise

• Fast response

• Very slightly sensitive to heat fluctuations

• Small size

- 噪声非常低

- 响应速度快

- 对热波动非常敏感

- 尺寸小

• Narrow spectral range

• Wavelength-dependent sensitivity

• Limited in maximum power

- 狭窄的光谱范围

- 敏感性与波长有关

- 最大功率有限

Pyroelectric ——热电物质

• Broadband

• Fast response

• Low noise level

- 宽带

- 响应速度快

- 噪声水平低

• Continuous-wave laser signal must be pulsed or chopped

• Sensitive to vibrations and heat fluctuations

- 连续波激光信号 必须是脉冲或斩波

- 对振动和热波动敏感

Water calorimeter——水量热器

• Broadband

• High power measurements

- 宽带

- 高功率测量

• Slow response

• Requires stable water cooling

- 响应慢

- 需要稳定的冷却水

 

正确的光束直径

选择功率计时，请考虑测量所需的光束直径。这对于精度至关重要，考虑到较小光束的高功率密度，使用太小的光束直径会损坏功率探测器。

另一方面，太大的光束会导致浪费的功率无法传输到探测器。理想情况下，光束直径应介于光学孔径面积的40%~60%之间。这是优化功率探测器吸收热量的最佳方式。

设置波长

选择功率计的正确波长也会有所不同，因为光探测器的响应对于每个波长并不相同。探测器制造商在探测器芯片内对光谱响应进行编码，功率表头使用该校正因子来显示特定波长下的正确值。这对于光电二极管尤其重要，因为它们的灵敏度在整个光谱范围内变化很大。

例如，对于硅基光电二极管，如果表头显示波长为1020nm而实际为1064nm，则可能会获得2倍的错误测量结果（见图2）。

 

图2：硅基光电二极管在300~1100nm波长范围内的典型灵敏度曲线。

Wavelength：波长

Typical sensitivity：典型灵敏度

预热激光器和探测器

在测量激光功率时，预热是获得最佳结果的重要步骤，因为功率会随时间变化，尤其是在刚打开激光器系统之后。这是由于激光器内的温度和材料发生变化，随后激光器与环境达到平衡。因此，建议在打开激光器后的最初几分钟内不要测量激光功率。

预热功率探测器同样重要。确保它与环境达到平衡，有助于获得尽可能准确的测量结果；否则，进一步的热传递会干扰测量过程。

激光功率探测器应该有效地散热，一些系统为此配备了风扇或水冷。如果功率计不能有效地散热，请务必在其周围提供足够的空间。

低功率测量的注意事项

尽可能保持室温恒定，以避免将热探测器放置在风扇、任何热源或空气对流附近。这将有助于消除热漂移的影响，从而降低热噪声和测量不确定性。

用户还应避免接触探测器的外壳或将其与热源接触，因为这可能会导致测量出现偏差。

将探测器与不需要的辐射源隔离很重要。光电探测器会受到环境照明的影响，非常灵敏的宽带探测器甚至可以对在房间内走动的人做出反应。光学滤光片和外壳可以阻挡不想要的干扰，并将探测器与热和气流隔离。

要记住的一件事是检查所选环境是否适合功率测量，可以在关闭激光器的情况下通过测量环境噪声，来确定这个环境是否适合功率测量。

将表头归零

激光功率表头具有一项功能，允许用户将设备“归零”，消除来自环境的偏移。在适当预热、并阻挡激光束后使用该功能很重要。使用合适的工具（而不是手）来阻挡光束也很重要。

如果测量存在不确定性或怀疑存在系统误差，那么可能需要重复归零过程。对于较长时间的测试，建议每四小时重复一次归零，尤其是在室温或光照条件发生变化时。

测量激光功率

现在可以打开光束并测量激光功率。至少提前一分钟让光束畅通无阻，以确保一切稳定。

如果激光功率表头具有预期或加速功能，则不需要整整一分钟，因为表头能够计算出测量值应该是多少。这在某些需要更快测量的情况下可能很有用。

潜在挑战

激光功率表头非常稳定，应该产生高度可重复的结果。功率测量中的变化不应超过大约0.5%；如果大于此值，请尝试重新归零。由于环境的变化，这可能是必需的。重新归零应该有助于确定这是否是问题所在。或者，问题可能是激光器本身的稳定性造成的。

仔细检查以下因素：

• 激光束是否正确对准，并完全包含在探测器的孔径中？

• 在表头或软件控制中是否输入了正确的波长？

• 探测器表面是否有划痕或损伤？

• 探测器最近是否重新校准过？应多久执行一次取决于多种因素，但一般建议是每12-18个月执行一次。

就是这样！事实上，只需几个简单的步骤，就可以像专家一样测量激光功率了。