選擇何種傳感器？

　　這部分內(nèi)容將介紹哪些類型的傳感器可用于測量功率，哪些可用于測量能量，以及它們的測量范圍。用于測量功率的熱電堆探測器往往面積較大，具有較高的損傷閾值，功率測量范圍從毫瓦到千瓦?；?span id="taxpweb" class="hrefStyle">半導(dǎo)體的光電二極管探測器不但體積較小，而且靈敏度高，功率測量范圍從皮瓦到毫瓦。

　　這三種類型的探測器都可用于測量能量。熱電堆探測器是毫秒（ms）量級單脈沖測量、或者每個脈沖能量達幾焦耳的高能量光束測量的理想選擇。熱釋電探測器最適合短脈沖（脈寬從fs到ms）和寬能量范圍（從50nJ到焦耳量級）的測量。光電探測器則適合測量低能量（從fJ到mJ量級）的短脈沖（脈寬從fs到ms）。每個探頭和儀器模塊的關(guān)鍵指標的性能范圍有較大差異，用戶在選擇之前，最好要提前與產(chǎn)品專家了解具體情況。

　　光電二極管探測器可與積分球一起使用，以獲得對光源的均勻和準確測量。Lasermet公司帶有積分球的光電二極管探頭，通常能夠測量的功率小至1μW；緊湊型探頭能夠測量的功率小至1nW，光束可以直接照射到這種光電二極管上（見圖2）。熱探頭通?？梢詼y量的功率低至1mW。

　　圖2：Lasermet公司的手持式ADM1000數(shù)字式測量儀，通過熱探頭和光電二極管探頭，能在較寬的波長范圍內(nèi)測量功率和能量，并可以選擇是否配備積分球。配備的加速電路可在700ns內(nèi)獲得最終讀數(shù)10％以內(nèi)的響應(yīng)度。ADM1000可用于測量、顯示高達400kHz的脈沖波形。

　　對于高功率光源，Lasermet公司的光電二極管探頭通?？梢詼y量的最大功率為1W，如果采用濾光片截止掉90％或者99％的光束（盡管這將引起反射并且會影響測量的準確度），則可以測量更高的功率。熱探頭可以測量的功率高達20W，特制的熱探頭可以測量功率高達100W甚至幾千瓦的激光。

　　光電二極管擁有最快的響應(yīng)速度。Lasermet公司的IPDH-10S和IPDH-10C光電二極管與ADM1000一起使用時，頻率響應(yīng)可達到400kHz，這比市場上其他任何探測器的響應(yīng)速度大約快1000倍。這樣的響應(yīng)速度能夠分離和顯示單脈沖波形，并且可以測量出單脈沖的能量。

　　光電二極管也提供了更高的熱穩(wěn)定性，而熱探測器則容易受到熱干擾和熱漂移的影響，因此更難準確使用。目前市場上已經(jīng)有一些熱探測器結(jié)合了溫度穩(wěn)定技術(shù)，從而大大減少了熱漂移。

　　關(guān)鍵指標

　　選擇PEM時首先要考慮的指標是傳感器的波長范圍以及對功率和能量的測量范圍。測量儀應(yīng)該能夠在未飽和的狀態(tài)下給出測量值。通常飽和電流在10mA量級（峰值響應(yīng)處的功率約為10mW）。高功率的測量通常采用積分球或光衰減器來降低飽和。系統(tǒng)的另一個重要指標是最低可測量的功率/能量水平處的信噪比。典型的噪聲水平在幾mW量級，高靈敏度模塊可測量的功率低至1μW。

　在挑選了合適的探頭來測量激光或?qū)拵Ч庠春?，下一個要考慮的問題是破壞閾值。用戶需要了解被測量的功率和能量密度，以免探頭被破壞。這需要了解光斑尺寸以及能量分布。高斯光束在光束頂部具有非常高的功率/能量密度。

　　脈寬是測量脈沖激光時需要考慮的一個關(guān)鍵因素。大多數(shù)傳感器具有不同的基于峰值功率的破壞閾值；當脈沖能量相同時，短脈沖相比較而言將具有高得多的峰值功率，更容易破壞傳感器。對于高于破壞閾值的應(yīng)用，用戶可采用的衰減手段包括分光器、漫反射和中性濾光片等。

　　另一個重要的指標是不確定度，這關(guān)系到準確性和一致性。大多數(shù)公司根據(jù)美國標準技術(shù)協(xié)會（NIST）制定的標準對其儀器進行校準，這些標準提供了基于標準物理常數(shù)的不確定度，例如水中的溫升。準確度的誤差應(yīng)以百分比的形式對每個傳感器和顯示器進行標注（見圖3）。

　　圖3：OSI公司的Juno是一種多功能緊湊型PEM，其與OSI公司的所有“智能型”熱釋電、熱電堆和光電二極管傳感器兼容。Juno的波長測量范圍從紫外到遠紅外，能量測量范圍從100fJ到幾百焦，功率測量范圍從10pW到10kW，光源的重復(fù)頻率可高達10kHz。Juno通過USB接口將筆記本或臺式電腦轉(zhuǎn)換成一個激光PEM，是現(xiàn)場和實驗室應(yīng)用的理想選擇，另外其也可作為內(nèi)置的OEM傳感器。

　　每種型號的探頭和測量儀器的關(guān)鍵指標的工作范圍相差巨大。選擇的關(guān)鍵是要使激光器或光源的輸出參數(shù)與探測器和儀器的指標相匹配，即測量儀器的指標應(yīng)該覆蓋激光器的輸出參數(shù)。

　　權(quán)衡與取舍

　　選擇PEM時需要進行許多權(quán)衡與取舍。例如，如果用戶需要測量光束直徑小的高功率激光，就需要具有高損傷閾值的探頭。但是具有高損傷閾值的PEM的靈敏度并不高，所以無法用同一個探頭讀取極高和極低的功率。用于更高讀數(shù)的能量探測器也會碰到同樣的情況。此外，某些特定產(chǎn)品可以測量單個脈沖的高能量，但是它們只能在低重復(fù)頻率下工作，不能在高功率下應(yīng)用。因此，在實際應(yīng)用中，用戶需要根據(jù)具體情況進行一定的權(quán)衡。

　　雖然PEM已經(jīng)出現(xiàn)了很長一段時間，但激光和太赫茲源技術(shù)的新進展，已經(jīng)為光源測量創(chuàng)造了新的挑戰(zhàn)，這些測量需要獨特的傳感器和儀器。自從高重復(fù)頻率DPSS和光纖激光器出現(xiàn)以來，測量和控制重復(fù)頻率為100kHz甚至更高頻率的脈沖激光器的輸出，曾一度讓人們面臨很大的困難。Gentec-EO公司宣稱其Mach 5是一款能夠很好解決上述需求的數(shù)字焦耳計，希望廣大用戶真正能從中受益