激光功率计与激光能量计基础知识
1,激光功率/能量计
激光功率/能量计是激光技术相关科技人员的常备测量工具。几乎所有涉及激光的研究、制造和各种应用领域,为了观测激光器件的工作状态、判断激光发射的强度高低、控制激光辐照的量值大小等等;都需要用到激光功率计或激光能量计。
激光功率计是用来测量连续激光的功率,或者重复脉冲激光在某一段时间的平均功率的仪器。激光能量计是用来测量单脉冲激光的能量,或者重复脉冲激光的某一次单发脉冲的能量的仪器。
激光功率/能量计计一般由探头和显示设备组成,探头选择取决于测量的类型及待测激光的参数,比如连续激光还是脉冲激光?激光功率或能量范围?光束口径?波长(范围)。没有一款探头能适应所有的激光测试条件,通常需要分别选择使用合适的探头和配用附件(如漫射衰减器)。
显示设备主要用来显示测量结果。显示设备有不同功能的仪表结构设计,包括只用来显示功率、能量测量结果数值的普及型显示器;和以微处理器为核心的,带有多种选择处理功能,以及电脑连接器的USB数据接口的智能型仪表;以满足不同层次用户测量的需求。
2,激光功率 /能量计探头
激光功率计探头按照不同的原理和材料分为热电堆型(thermal)、光电二极管型(Photodiode)。热电堆型激光功率计通过热电堆结构将光能转换成热量,再转换为电信号输出,通过校准来精确测量激光功率的大小。光电二极管型一般用于测量功率小于10mW的激光,具有高灵敏度的优点(可测微弱到pW级的激光功率);但是由于光谱响应特性的影响,对于不同波长的激光必须分别补偿校准。
激光能量计探头一般采用热释电传感器(Pyroelectric)和热电堆(Thermal)传感器探头。热电堆探头适于测量各种波长的、较强的单脉冲激光能量。热释电激光能量传感器一般耐用性比热电堆型差,不使用时应避免激光照射。光电二极管激光能量传感器的灵敏度较高,能探测的最小能量达到10Pj,但应用范围较小。由于脉冲激光的种类较多,一般需要分别选择使用合适的探头和配用附件(如漫射衰减器)。
探头类型及适用范围比较
sensor类型 | 备注 | 适用范围 | ||
功率传感器 | 1 | 热电堆激光传感器 | 测功率 | 1mW~ 200W |
测单脉冲激光能量() | f≤0.2HZ | |||
2 | 光电二极管激光功率传感器 | 光谱选择性 | 1pW--10mW | |
能量传感器 | 3 | 热释电激光能量传感器 | 耐用性比热电堆型差,不使用时需移除激光照射 | f≤20HZ |
热电堆型激光功率计的传感器表面吸收材料是一种特殊的耐高温和氧化的涂层,这个涂层可以承受高达200W/cm²的功率密度,提供从UV到IR区间上的高吸收率,在其大部分区间内,该涂层的吸收率高于95%,对应不同波长的激光,吸收光谱平坦而无需补偿校准。针对不同的激光测量要求,典型的探头包括有
热电堆型面吸收结构探头:探测器敏感面采用的是特制宽光谱吸收材料,此宽光谱吸收材料的损伤域值可达200W/ cm²;吸收率大约95%,从紫外到红外的响应曲线平坦。
大口径(50mm)准分子激光功率探头:对于紫外光有高吸收率,可以承受高能量或高平均功率的准分子激光,同时对10.6um和其他波长也有很好的响应,最大平均功率强度约200W/ cm²。
热电堆型激光能量测量探头:对于从纳秒短脉冲到豪秒量级长脉冲激光有很高的损伤域值,从190nm到1064nm以致10.6μm均已校准,可承受最大峰值功率密度达100MW/ cm²。
带有衰减器附件热电堆型激光能量测量探头:作为热电堆型探头的扩展,对于高能量长脉冲或短脉冲激光都有更高的损伤域值,能承受更高的峰值功率密度,可达500-1000M W/ cm²)。
可以直接显示激光或其它光辐射(红外、紫外灯或其它非激光辐射源)功率密度(?W/ cm²)的功率计探头:作为热电堆型探头的扩展,在敏感面积较大的探测器辐射输入端设置了专门配制的1平方厘米光阑,确保入射到探测器而被测量的是1平方厘米面积上的辐射功率;功率计显示的就是被测辐射的功率密度。
4,超高强度激光功率和能量的测量
由于材料和结构等因素,热电堆激光传感器和热释电传感器对可承受的最大功率或能量密度均有限制。尤其是纳秒量级的短脉冲。如果您的激光功率/能量密度超过了传感器的标称最大值,则有以下几种选择:
1. 可以用一个发散透镜扩展激光光束,直到能量密度低于损伤阈值。
2. 可以使用一个分光器,一般可以分掉8%-10%的光。如果用这种方式,要注意可能有极化效应。可以对分光器做校准,方法是用低于损伤阈值的激光,测量有、无分光器两种情况下的能量,然后用补偿功能显示出实际的激光功率或能量。
3. 有三种专为高能量密度脉冲而设计的传感器。它们是:有高损伤阈值的传感器,带散射片的热释电传感器。设计合理的激光探头可以测量高达数Joules/cm²的能量密度。
5,不同波长激光测量的光谱响应补偿
采用经中国计量科学院测量校准的标准表,对于现有激光在所有的波长,均可以分别做补偿校准。激光选择按键可以直接切换给出5个常用激光波长上的精准校准(Argon、YAG,如适用也可以CO2)。对于其它波长,可以应用户要求,设置所需要波长的校准。包括,并不限于紫外、紫光、红光(635nm、660nm、671nm)、绿光(532nm)、蓝光(457nm、473nm),红外光(808nm、946nm、980nm、1047nm、1064nm、1320nm)等等各种激光器。