快速大功率激光功率测量.pdf

快速大功率激光功率测量?  激光功率测量可以采用不同类型的传感器。本文介绍两种 适用于高功率测量的系统。 文/BernhardNeumann，SteveWright 德国 ArtifexEngineering 公司 /en.html 译/北京欧普特科技有限公司 传感器类型决定功能? 激光光功率的测量是经由传感器将光功率转换为可测量的电流或电压来完成。传感器的物理原理将会最 终决定仪器的功能。两种标准传感器可用于激光功率测量： 传感器类型? 物理原理? 描?????????????述? 光电二极管? 产生电子-空穴 光子被半导体材料吸收，进而产生电子-空穴对。外电路连接到设 备接收电流。产生电流的大小与所吸收的光功率成比例。 热电堆? 塞贝克效应（热电效应） 一种设备由两种金属通过 2个结点连接构成。当两种金属之间有 温差时，2结点之间就会产生电压。这就是所谓的“热电偶”。  热电堆传感器? 热电堆传感器有许多热电偶排列组成。热电偶之间通过热并联和电串联连接。由于单个热电偶的热灵敏 度（V/°C）很低，所以实用性传感器必须由多个热电偶排列组成。  Figure?1:热电偶   热电堆[1] 探测器表面有涂层，为钝化深黑色吸收材料。涂层的目的就是在不受波长限制下尽量吸收更多的入射激 光功率。 鉴于热电堆的构成，其一些特点也显现出来： 1. 热电堆有很低的感光灵敏度。 2. 周围热源可能会引起测量误差。一般的热源可能来自附近风冷设备排除的热风或者是持有传感器的手。 这就限制其对低功率（几个毫瓦）的测量。另一方面，如果传感器表面没有被损坏以及排热良好，热 电堆还是比较适于高功率测量的。 3. 表面吸收材料对于测量很重要。然而涂层会随着时间推移而褪掉，进而引起校准失效。 4. 对于基于热流的测量，热电堆反应非常慢。响应时间通常1秒。 光电二极管传感器? 光电二极管是通过存在于两电极（阳极和阴极）之间的电势差工作的半导体器件。两个电极由器件两个 针脚引出的细线电联接。由于该结构的物理敏感性，该器件被封装在一个包含可通光保护窗口的金属壳内。   Figure?2:光电二极管工作原理[2] Figure?3:光电二极管结构 从光电二极管的结构可以清楚的了解其特点： 1. 由于光量子直接转换为电流，所以光电二极管对光灵敏度非常高。通常光量子效率接近 100%。这就使 功率测量可以达到毫微微瓦范围。也就是其测量的最大功率限制在几毫瓦以下，否则饱和：即产生的电 流不再与辐射功率成比例。 2. 硅是用于可见光范围测量的材料，原料充足价格便宜。但是，由于用于近红外的材料锗和 InGaAs 价格 非常昂贵。因此，传感器的尺寸受到极大限制。 3. 半导体材料有很高的折射率，所以会导致入射光束较大的反射。由于表面非常平整，所以器件会在一定 程度上充当反射镜，进而导致安全隐患或者给测量设置造成困难。 4. 保护窗口充当一个不稳定的标准量具。入射光角度和入射位置的差异会使光电二极管呈现不同的总灵敏 度[3]。 因为探测器面积小（许多高功率激光器的波长在NIR 范围）而且只能测量最大为mW级的功率，似乎 此时可以断定光电二极管不适用于高功率激光器的测量。因此许多从业者只能妥协，选择使用热电堆传感 器。 但是，如果既想要测量的高分辨率，又要有宽动态范围，还要能快速测量，该怎么办呢？ 积分球? 积分球弥补了上述光电二极管和热电堆的缺陷。积分球为无源器件，是一个有着几个开口（端口）的空 心球体。开口用于激光束的输入和输出。 ? Figure?4:积分球的工作原理  空心球体的内表面由高反材料制成，可对入射光进行高度散射。因此，入射激光束会经历多次强漫反 射，最后被均匀散射到整个球面。 空心球体由适于 250nm-2.5μm的特殊聚合物做成。涂有硫酸钡（BaSO4）的铝制球体价格虽然便 宜，但是随着时间推移颜色会发黄，所以不适于精确的激光功率测量。对于波长范围 700nm-20μm的测 量，采用在金属表面镀金的方式。许多高功率激光器的光谱范围在 700nm-20μm，所以，铜和铝是两种比 较好的导热基底材料。 Figure?5:配有光电二极管和光纤接口的积分球  光电二极管固定于积分球球壁，它只接收进入积分球的部分激光功率，接收到激光发生了以下重要改 变： 1. 功率密度完全均匀。 2. 照射为非偏振光，即使入射辐射为偏振光。 3. 传感器上所接受的功率已经被极大削弱。 由此可见，积分球和光电二极管可以组合成一