文/Bernhard Neumann，Steve Wright 德國Artifex Engineering公司
譯/北京歐普特科技有限公司
激光功率測量可以采用不同類型的傳感器。本文介紹兩種適用于高功率測量的系統(tǒng)。
傳感器類型決定功能
激光光功率的測量是經由傳感器將光功率轉換為可測量的電流或電壓來完成。傳感器的物理原理將會最終決定儀器的功能。兩種標準傳感器可用于激光功率測量：
熱電堆傳感器
熱電堆傳感器有許多熱電偶排列組成。熱電偶之間通過熱并聯和電串聯連接。由于單個熱電偶的熱靈敏度（V/°C）很低，所以實用性傳感器必須由多個熱電偶排列組成。
探測器表面有涂層，為鈍化深黑色吸收材料。涂層的目的就是在不受波長限制下盡量吸收更多的入射激光功率。
鑒于熱電堆的構成，其一些特點也顯現出來：
● 熱電堆有很低的感光靈敏度；
● 周圍熱源可能會引起測量誤差。一般的熱源可能來自附近風冷設備排除的熱風或者是持有傳感器的手。這就限制其對低功率（小于幾個毫瓦）的測量。另一方面，如果傳感器表面沒有被損壞以及排熱良好，熱電堆還是比較適于高功率測量的；
● 表面吸收材料對于測量很重要。然而涂層會隨著時間推移而褪掉，進而引起校準失效；
●對于基于熱流的測量，熱電堆反應非常慢。響應時間通常>1 s。
光電二極管傳感器
光電二極管是通過存在于兩電極（陽極和陰極）之間的電勢差工作的半導體器件。兩個電極由器件兩個針腳引出的細線電聯接。由于該結構的物理敏感性，該器件被封裝在一個包含可通光保護窗口的金屬殼內。
從光電二極管的結構可以清楚的了解其特點：
●由于光量子直接轉換為電流，所以光電二極管對光靈敏度非常高。通常光量子效率接近100%。這就使功率測量可以達到毫微微瓦范圍。也就是其測量的最大功率限制在幾毫瓦以下，否則飽和：即產生的電流不再與輻射功率成比例。
●硅是用于可見光范圍測量的材料，原料充足價格便宜。但是，由于用于近紅外的材料鍺和InGaAs價格非常昂貴。因此，傳感器的尺寸受到極大限制。
●半導體材料有很高的折射率，所以會導致入射光束較大的反射。由于表面非常平整，所以器件會在一定程度上充當反射鏡，進而導致安全隱患或者給測量設置造成困難。
●保護窗口充當一個不穩(wěn)定的標準量具。入射光角度和入射位置的差異會使光電二極管呈現不同的總靈敏度[3]。
因為探測器面積小（許多高功率激光器的波長在NIR范圍）而且只能測量最大為mW級的功率，似乎此時可以斷定光電二極管不適用于高功率激光器的測量。因此許多從業(yè)者只能妥協，選擇使用熱電堆傳感器。
但是，如果既想要測量的高分辨率，又要有寬動態(tài)范圍，還要能快速測量，該怎么辦呢？
積分球
積分球彌補了上述光電二極管和熱電堆的缺陷。積分球為無源器件，是一個有著幾個開口（端口）的空心球體。開口用于激光束的輸入和輸出。
空心球體的內表面由高反材料制成，可對入射光進行高度散射。因此，入射激光束會經歷多次強漫反射，最后被均勻散射到整個球面。
空心球體由適于250 nm-2.5 µm的特殊聚合物做成。涂有硫酸鋇（BaSO4）的鋁制球體價格雖然便宜，但是隨著時間推移顏色會發(fā)黃，所以不適于精確的激光功率測量。
對于波長范圍700 nm-20 µm的測量，采用在金屬表面鍍金的方式。許多高功率激光器的光譜范圍在700 nm-20 µm，所以，銅和鋁是兩種比較好的導熱基底材料。
光電二極管固定于積分球球壁，它只接收進入積分球的部分激光功率，接收到激光發(fā)生了以下重要改變：
● 功率密度完全均勻；
●照射為非偏振光，即使入射輻射為偏振光；
●傳感器上所接受的功率已經被極大削弱。
由此可見，積分球和光電二極管可以組合成一個激光功率傳感器，它既可以像光電二極管一樣反應靈敏，又可以檢測相當大的功率。不同尺寸的積分球，對應不同的系統(tǒng)靈敏性。
另外，此時的探測器不再受功率密度是否均勻和偏振的約束，也不再受入射光入射角度和入射位置的約束。
因為光電二極管自身尺寸不是限制因素，所以積分球可以用于較大光束直徑的測量。由于積分球內表面面積比其輸入孔徑至少大20倍，所以其內壁接收的功率密度要遠小于熱電堆表面接收的功率密度。積分球內表面材料可以承受較高的功率密度，而且不會隨時間推移而發(fā)生變化。
位于積分球上的其他測量端口可為進一步應用提供便利。例如：光纖接口可以用于激光光譜的同步測量。
應用示例
舉個例子，我們可以使用一個配有水冷系統(tǒng)的、內徑100 mm的銅制鍍金積分球，測量用于材料加工的5 kW 盤式激光器實時功率波動。 由于該功率等級的激光會導致積分球發(fā)熱，所以光電二極管未安裝于積分球上。
光電二極管的溫度變化會導致測量的不精確。因此，通過積分球的SMA光纖接口，使用光纖與光功率計（OPM150 光功率計）連接。整個系統(tǒng)（積分球-光纖-OPM150光功率計）作為一個整體進行校準，確保了精確的功率測量。光功率計通過USB供電和控制，極大減少了線纜的使用（只需一根USB線和兩根水管）
通過該系統(tǒng)可以看到激光器在2.5 kW非常穩(wěn)定。但是當功率增大到最大功率時（5 kW），會看到一個約為1.5%的長期波動。
另外，可以看到輸出功率一個約為0.7%的更快波動。注意，這個更快波動是在一個用熱電堆探測器無法檢測到時間尺度上。
總結
由積分球和光電二極管組合成的傳感器呈現出了一個幾近完美的激光功率測量傳感器。對于高功率激光器的測量，該組合可以讓操作者看到熱電堆探測器無法捕捉到的激光功率波動。這些波動包括：CW模式運行其間波動，啟動激光器時的瞬態(tài)和過沖波動，以及運行其間的短時下降波動。
另外，由于測量不受光束發(fā)散度約束，積分球可以用于基于激光應用的測量，比如：在折射物和散射物的傳輸。例如：積分球可以測量激光可焊接塑料材料的傳輸，從而確定焊接激光器的最佳運行參數。
參考文獻：
[1]:http://bildungsserver.hamburg.de/physik/unterricht/experimente/2584640/00522-thermosaeule/
[2]: „Pin-Photodiode“ from Kirnehkrib – own work. Licenced under CC BY-SA 3.0 by Wikimedia Commons https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pin-Photodiode.png#/media/File:Pin-Photodiode.png
[3]: L.P.Boivin, Appl. Opt. 21(5), pp 918-923, 1982
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