功率是激光器的最重要的參數(shù)之一，對(duì)激光器進(jìn)行測(cè)試時(shí)，激光功率是必須要測(cè)試的一個(gè)性能參數(shù)，可見(jiàn)激光功率的重要性。

什么是激光功率？

官方是這樣定義的：激光功率是指激光器在單位時(shí)間內(nèi)輸出的光能量，通常以瓦特（W）為單位來(lái)衡量。

激光功率是評(píng)價(jià)激光器性能的一項(xiàng)重要參數(shù)，反映了激光器產(chǎn)生和傳遞光能的能力。

那么怎么計(jì)算激光功率？

了解激光功率，測(cè)試激光功率對(duì)我們有什么作用？

首先來(lái)說(shuō)，激光功率的高低直接影響到激光器在各種應(yīng)用中的效果，如材料加工的速度與質(zhì)量、醫(yī)療手術(shù)的效果、通信系統(tǒng)的傳輸距離與容量等。較高的激光功率意味著激光器能在較短的時(shí)間內(nèi)提供更多的能量，從而可能實(shí)現(xiàn)更快的切割速度、更深的打標(biāo)深度、更高的數(shù)據(jù)傳輸速率等。

其次，在實(shí)際應(yīng)用中，激光功率的測(cè)量與控制是非常關(guān)鍵的。激光功率的穩(wěn)定性、可調(diào)節(jié)性以及能否在需要的范圍內(nèi)精確保持，對(duì)于保證激光加工過(guò)程的安全性、精確度以及最終產(chǎn)品的質(zhì)量至關(guān)重要。激光器的設(shè)計(jì)與制造中通常會(huì)包含功率監(jiān)測(cè)與控制裝置，以確保激光功率在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，并能在需要時(shí)進(jìn)行精確調(diào)整。

而且更重要的是，激光功率還與激光安全密切相關(guān)。不同功率等級(jí)的激光對(duì)生物組織（特別是眼睛）有不同的潛在危害。按照國(guó)際激光安全標(biāo)準(zhǔn)（如IEC 60825系列標(biāo)準(zhǔn)），激光器被劃分為不同的安全等級(jí)（Class 1至Class 4），其中激光功率是決定安全等級(jí)的重要因素之一。在使用激光器時(shí)，必須遵守相應(yīng)的安全操作規(guī)程，使用適當(dāng)?shù)膫€(gè)人防護(hù)裝備（如激光防護(hù)眼鏡），以防止激光輻射對(duì)人員造成傷害。

只有全面的了解激光器的功率，我們才能在操作激光器的過(guò)程中，嚴(yán)格的遵照安全規(guī)范，同時(shí)才能把激光器的功能完全發(fā)揮出來(lái)。

了解了激光功率，以及激光功率的意義，那么我們?cè)趺礈y(cè)試激光功率？

這個(gè)測(cè)試的過(guò)程就涉及到一些專業(yè)知識(shí)，作為一家第三方激光設(shè)備檢測(cè)認(rèn)證機(jī)構(gòu)，一般我們?cè)谶M(jìn)行激光功率測(cè)試時(shí)，會(huì)對(duì)這兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，首先，平均功率。什么是平均功率？即測(cè)試激光器在一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)或重復(fù)脈沖狀態(tài)下輸出的總能量除以時(shí)間，通常以瓦特（W）為單位。然后，峰值功率，什么是峰值功率呢，即對(duì)于脈沖激光器，測(cè)試單個(gè)脈沖達(dá)到的最大功率，單位為瓦特（W）。

在對(duì)激光功率進(jìn)行測(cè)試時(shí)，一般會(huì)采取以下這些常用方法

1、光電二極管型

早期激光器由于功率較小，用光電型激光功率計(jì)進(jìn)行測(cè)量即能滿足使用要求。光電型激光功率計(jì)具有靈敏和快速的特點(diǎn)，是最早出現(xiàn)的功率計(jì)。

光電二極管型激光功率計(jì)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因?yàn)闆](méi)有利用光的熱效應(yīng)，對(duì)外界環(huán)境溫度的要求比較低，相比于熱效應(yīng)功率計(jì)響應(yīng)速度更快；缺點(diǎn)是更容易受到電噪聲干擾，而且光譜響應(yīng)不夠平坦。

目前用于光功率測(cè)量的光電二極管主要是PIN型光電二極管（如圖2），相比傳統(tǒng)的PN型，這種結(jié)構(gòu)增大了PN結(jié)中間的耗盡層，結(jié)電容小，響應(yīng)速度更快。以 InGaAs為材料的PIN管，由于其低噪聲和高響應(yīng)度等特性，在工業(yè)界和科學(xué)研究領(lǐng)域都可實(shí)現(xiàn)廣泛的應(yīng)用。

1987年，自從利用光電二極管測(cè)量激光功率的方法提出，發(fā)展至今，基于光電二極管型光功率的測(cè)量已經(jīng)成為一項(xiàng)十分成熟并廣泛應(yīng)用的技術(shù)。光電二極管型的激光功率計(jì)有很高的分辨力，可以達(dá)到0.01 dBm。目前，實(shí)際生產(chǎn)中常用的光電二極管型光功率計(jì)有硅、鍺、銦鎵砷、碲鎘汞等類型，覆蓋了從可見(jiàn)光到紅外的較大波長(zhǎng)范圍。

2、熱電堆型

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，各種激光器相繼問(wèn)世。從最開(kāi)始的固體激光器，到后來(lái)出現(xiàn)的氣體激光器、液體激光器、半導(dǎo)體激光器，以及最近的自由電子激光器，隨著被測(cè)量的激光功率不斷增大，功率的測(cè)量范圍超過(guò)了光電型功率計(jì)的飽和閾值。因此，出現(xiàn)了可以測(cè)量更大功率的熱電型功率計(jì)。

熱電堆式激光功率計(jì)是熱電型光功率測(cè)量的典型器件，利用的是激光的熱效應(yīng)和金屬中的熱電效應(yīng)，如圖3。熱電型傳感器具有光譜響應(yīng)平坦、相對(duì)不容易達(dá)到飽和、受光照角度和位置影響較小等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是響應(yīng)速度比較慢。

1970年，基于熱電偶以及真空腔的激光功率探測(cè)裝置首次被制出?，F(xiàn)在該類型的激光功率計(jì)不需要絕熱環(huán)境就可以達(dá)到比較高的測(cè)量穩(wěn)定性，在測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)值為?10.000 dBm的850 nm光源時(shí)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差可以達(dá)到0.003 dBm。

3、熱釋電型

熱釋電傳感器基于一些晶體的熱釋電效應(yīng)進(jìn)行傳感，如圖4所示。由于測(cè)量的是溫度變化，熱釋電傳感器一般不適合用來(lái)測(cè)量連續(xù)激光?；跓後岆娦?yīng)的功率計(jì)一般稱為熱釋電能量計(jì)，適合測(cè)量單脈沖的能量。

      1982年，熱釋電效應(yīng)成功被應(yīng)用于激光功率的測(cè)量。目前熱釋電光功率測(cè)量系統(tǒng)精確度很高，可以在典型值1 mW的測(cè)量條件下達(dá)到0.5%的測(cè)量精度。熱釋電型傳感器的優(yōu)點(diǎn)包括測(cè)量精度比較高、響應(yīng)快、能測(cè)量單脈沖能量，對(duì)微小激光功率也能有比較明顯的響應(yīng)等。

4、低溫絕對(duì)輻射計(jì)

隨著光纖技術(shù)的廣泛應(yīng)用，研究人員也開(kāi)始關(guān)心微小激光功率的測(cè)量，熱釋電型激光功率計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。除了對(duì)功率范圍的要求之外，在精度提升方面，對(duì)絕對(duì)輻射計(jì)的研究推動(dòng)了激光功率計(jì)測(cè)量基準(zhǔn)的建立，后來(lái)出現(xiàn)的低溫絕對(duì)輻射計(jì)（圖5）使激光功率計(jì)的測(cè)量精度上限得到了飛躍性的提升。

1985年，精確度非常高的低溫絕對(duì)輻射計(jì)被提出?，F(xiàn)在的低溫輻射計(jì)在測(cè)量波長(zhǎng)范圍為500 nm~16 μm的激光時(shí)，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度可以達(dá)到0.015%。這種功率計(jì)的缺點(diǎn)是系統(tǒng)比較復(fù)雜且體積龐大，適合于科學(xué)研究，難以實(shí)現(xiàn)廣泛的應(yīng)用。

5、流水式

隨著測(cè)量功率的進(jìn)一步增大，熱電型功率計(jì)會(huì)產(chǎn)生溫漂，吸收面溫度不斷升高也會(huì)引起功率計(jì)的損傷，為了使功率計(jì)的損傷閾值提高，出現(xiàn)了各種針對(duì)大功率測(cè)量的結(jié)構(gòu)。流水式是其中一種基于激光的熱效應(yīng)對(duì)大功率激光進(jìn)行功率測(cè)量的方法，如圖6所示。

   與其他光功率計(jì)結(jié)構(gòu)不同，流水式光功率計(jì)是在光吸收材料的內(nèi)部增加了一層水層，水作為比熱容比較大的液體，能有效地帶走激光被材料吸收產(chǎn)生的熱量。水流出加熱區(qū)域之后，通過(guò)水的流速和測(cè)量點(diǎn)的水溫就可以計(jì)算得到激光功率。 

20世紀(jì)80年代，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院光學(xué)與激光計(jì)量科學(xué)研究所在高能激光的計(jì)量研究中，對(duì)流水式激光功率計(jì)進(jìn)行了深入的研究，通過(guò)接收器工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的創(chuàng)新，使激光能量的量程和量值復(fù)現(xiàn)能力提高了上千倍，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。這種類似于水冷裝置的設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)是能測(cè)量很大的功率，最新進(jìn)展是在1~ 10 kW的量程下；其缺點(diǎn)也比較明顯，無(wú)法測(cè)量小功率，響應(yīng)速度慢，無(wú)法準(zhǔn)確得知激光功率隨著時(shí)間的變化情況。各種典型激光功率計(jì)的特性如表1所示。

6、光致動(dòng)力學(xué)傳感

隨著儀器測(cè)量精度的不斷提高，光致微小力逐漸成為激光功率測(cè)量的重要研究方向。近些年來(lái)，由于高精度干涉儀和壓電陶瓷傳感器等高精度位移傳感器的出現(xiàn)，對(duì)輻射壓效應(yīng)的研究不再局限于理論研究，對(duì)光致微小力的研究已逐漸走向了應(yīng)用領(lǐng)域。

2013年，一種基于光致動(dòng)力學(xué)進(jìn)行光功率測(cè)量的方法被提出。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于可以在不吸收激光的情況下進(jìn)行激光功率的測(cè)量，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)激光功率，而且根據(jù)反射鏡的參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)較大波長(zhǎng)范圍及功率范圍的激光功率測(cè)量。由于光致動(dòng)力學(xué)的原理是光在反射過(guò)程中和反射鏡之間的作用，相比之前介紹的其他方法，光致動(dòng)力學(xué)傳感的一個(gè)很大優(yōu)勢(shì)是能在幾乎不吸收激光的條件下實(shí)現(xiàn)光功率的測(cè)量，這為激光加工與測(cè)量等應(yīng)用過(guò)程中的在線測(cè)量提供了有效的解決方案。

因?yàn)楣庵挛⑿×υ斐傻姆瓷溏R位移很小，研究人員為了測(cè)量出這個(gè)位移提出了幾種新穎的測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（如圖7所示）：懸掛式反射鏡的測(cè)量結(jié)構(gòu)、磁懸浮式結(jié)構(gòu)、彈簧平衡式結(jié)構(gòu)等。

除了以上典型方法之外，還有一些應(yīng)對(duì)大功率激光功率測(cè)量的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，比如積分球方法。這種方法是基于傳統(tǒng)熱電堆型激光功率計(jì)改進(jìn)而來(lái)。這種將激光熱作用分散的方法增大了探測(cè)器的損壞閾值，能簡(jiǎn)單快速地測(cè)量大功率連續(xù)激光的功率。（相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)源于《激光功率計(jì)發(fā)展與應(yīng)用》）

雖然激光功率的測(cè)量方法很多，但是隨著科技的發(fā)展，激光功率的測(cè)量方法也在不斷改進(jìn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1. 高精度與寬動(dòng)態(tài)范圍：

隨著激光應(yīng)用領(lǐng)域?qū)β蕼y(cè)量精度要求的不斷提高，尤其是微納制造、生物醫(yī)療、超快激光研究等精細(xì)加工和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量設(shè)備需要具備更高的絕對(duì)精度和更寬的動(dòng)態(tài)范圍。這推動(dòng)了新型功率計(jì)的開(kāi)發(fā)，如采用更先進(jìn)的傳感器技術(shù)和信號(hào)處理算法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)從毫瓦到千瓦甚至更高功率范圍的精確測(cè)量。

2. 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與反饋控制：

在激光材料加工、激光醫(yī)療治療等實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)合，功率測(cè)量趨向于集成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與閉環(huán)控制功能。這意味著功率計(jì)不僅要能準(zhǔn)確測(cè)量激光功率，還要能快速響應(yīng)功率變化，實(shí)時(shí)反饋給控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器輸出功率的精確調(diào)控，確保加工或治療過(guò)程的穩(wěn)定性和一致性。

3. 智能化與自動(dòng)化：

隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和工業(yè)4.0的發(fā)展，激光功率測(cè)量系統(tǒng)正朝著智能化和自動(dòng)化方向演進(jìn)。現(xiàn)代功率計(jì)往往配備有數(shù)字化接口（如USB、Ethernet、Wi-Fi、藍(lán)牙等），支持遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)記錄與分析、云服務(wù)連接等功能。部分高端設(shè)備還具備自我診斷、自動(dòng)校準(zhǔn)、故障預(yù)警等智能化特性，簡(jiǎn)化操作流程，提高工作效率。

4. 多參數(shù)綜合測(cè)量：

除了基本的功率測(cè)量，現(xiàn)代激光應(yīng)用越來(lái)越關(guān)注激光的其他特性參數(shù)，如波長(zhǎng)、光束質(zhì)量（M2因子）、脈沖特性（如脈沖寬度、重復(fù)頻率、脈沖形狀等）。因此，一體化、多參數(shù)的激光分析儀越來(lái)越受到青睞，它們能同時(shí)測(cè)量并分析激光的多種特性，為用戶提供更全面的激光性能評(píng)估。

5. 適應(yīng)新型激光源：

新型激光技術(shù)（如超快激光、光纖激光、半導(dǎo)體激光等）的發(fā)展催生了對(duì)新型功率測(cè)量技術(shù)的需求。例如，超短脈沖激光的功率測(cè)量需要考慮脈沖壓縮、脈沖間相互作用等因素，可能需要用到自相關(guān)儀、FROG（Frequency-Resolved Optical Gating）等高級(jí)測(cè)量技術(shù)。光纖激光和半導(dǎo)體激光的功率測(cè)量則可能需要兼容光纖接口，具備對(duì)偏振態(tài)敏感的探測(cè)能力。

6. 微型化與便攜式：

為適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、野外作業(yè)、設(shè)備集成等需求，激光功率計(jì)正變得越來(lái)越小巧、便攜。手持式、電池供電的功率計(jì)以及模塊化、嵌入式設(shè)計(jì)的功率傳感單元越來(lái)越普遍，方便用戶在各種環(huán)境下快速、便捷地進(jìn)行激光功率測(cè)量。

7. 標(biāo)準(zhǔn)化與合規(guī)性：

隨著激光安全標(biāo)準(zhǔn)的更新和完善，功率測(cè)量設(shè)備也需要符合最新的國(guó)際和地區(qū)法規(guī)要求，如IEC 60825系列標(biāo)準(zhǔn)、FDA激光產(chǎn)品性能標(biāo)準(zhǔn)等。這推動(dòng)了功率計(jì)制造商在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮法規(guī)合規(guī)性，提供易于操作、具備安全互鎖功能、內(nèi)置警示標(biāo)識(shí)的設(shè)備，以確保用戶在合法、安全的前提下進(jìn)行激光功率測(cè)量。

尤其是在高精度激光功率測(cè)量方面，激光功率測(cè)量有了很大的提升。就波長(zhǎng)范圍而言，針對(duì)光刻和激光療法等應(yīng)用，被測(cè)量激光的波長(zhǎng)范圍從可見(jiàn)光擴(kuò)展到紫外和紅外波段；就功率值大小而言，對(duì)于光纖傳感中的微弱光信號(hào)，需要對(duì)小至皮瓦級(jí)的功率進(jìn)行測(cè)量，針對(duì)激光加工等，又需要對(duì)高達(dá)數(shù)十千瓦的激光功率進(jìn)行測(cè)量；就測(cè)量精度而言，相對(duì)測(cè)量不確定度從最早的約10%發(fā)展到0.1%甚至更小。

近年來(lái)隨著各種測(cè)量原理的不斷完善，以及新的測(cè)量需求出現(xiàn)，現(xiàn)在的激光功率計(jì)研究已經(jīng)不再是以制作出能夠投入使用的光功率計(jì)為目標(biāo)，而是朝向高精度測(cè)量發(fā)展，使其能適應(yīng)激光功率檢測(cè)的高精度要求。

近幾年來(lái)，外場(chǎng)激光功率測(cè)量已經(jīng)成為了一個(gè)熱門的研究方向。實(shí)際應(yīng)用中由于雜散光的干擾，實(shí)現(xiàn)高精度的外場(chǎng)激光功率測(cè)量會(huì)比較困難，需要使用共模抑制或相干采樣等方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。

此外，一些激光傳感技術(shù)的發(fā)展，也使得微弱激光信號(hào)的測(cè)量成為一個(gè)重要的研究方向。在測(cè)量mW至pW級(jí)的微弱激光時(shí)，光探頭與光纖的功率耦合、寄生電容等多種因素都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成很大的影響。在一些特殊應(yīng)用中，還需要激光功率計(jì)有比較好的抗電磁干擾能力，以適應(yīng)本身帶有較強(qiáng)電磁場(chǎng)的工作環(huán)境。近些年來(lái)一些新的校準(zhǔn)方法的出現(xiàn)，也使光功率計(jì)測(cè)量精度有了更大的上升空間。

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