几种典型的激光功率测量方式

随着测量需求的发展，基于各种激光功率测量原理的激光功率计也陆续出现，包括热电式、光电二极管式、热释电式、流水式、低温绝对辐射计以及近些年出现的光致动力学传感形式等，图1所示的各种典型激光功率测量系统。

01 光电二极管型

早期激光器由于功率较小，用光电型激光功率计进行测量即能满足使用要求。光电型激光功率计具有灵敏和快速的特点，是最早出现的功率计。

光电二极管型激光功率计的结构简单，因为没有利用光的热效应，对外界环境温度的要求比较低，相比于热效应功率计响应速度更快；缺点是更容易受到电噪声干扰，而且光谱响应不够平坦。

目前用于光功率测量的光电二极管主要是PIN型光电二极管（如图2），相比传统的PN型，这种结构增大了PN结中间的耗尽层，结电容小，响应速度更快。以 InGaAs为材料的PIN管，由于其低噪声和高响应度等特性，在工业界和科学研究领域都可实现广泛的应用。

1987年，自从利用光电二极管测量激光功率的方法提出，发展至今，基于光电二极管型光功率的测量已经成为一项十分成熟并广泛应用的技术。光电二极管型的激光功率计有很高的分辨力，可以达到0.01 dBm。目前，实际生产中常用的光电二极管型光功率计有硅、锗、铟镓砷、碲镉汞等类型，覆盖了从可见光到红外的较大波长范围。

02 热电堆型

随激光技术的发展，各种激光器相继问世。从最开始的固体激光器，到后来出现的气体激光器、液体激光器、半导体激光器，以及最近的自由电子激光器，随着被测量的激光功率不断增大，功率的测量范围超过了光电型功率计的饱和阈值。因此，出现了可以测量更大功率的热电型功率计。

热电堆式激光功率计是热电型光功率测量的典型器件，利用的是激光的热效应和金属中的热电效应，如图3。热电型传感器具有光谱响应平坦、相对不容易达到饱和、受光照角度和位置影响较小等优点；缺点是响应速度比较慢。

1970年，基于热电偶以及真空腔的激光功率探测装置首次被制出。现在该类型的激光功率计不需要绝热环境就可以达到比较高的测量稳定性，在测量标准值为−10.000 dBm的850 nm光源时测量的标准偏差可以达到0.003 dBm。

03 热释电型

热释电传感器基于一些晶体的热释电效应进行传感，如图4所示。由于测量的是温度变化，热释电传感器一般不适合用来测量连续激光。基于热释电效应的功率计一般称为热释电能量计，适合测量单脉冲的能量。

1982年，热释电效应成功被应用于激光功率的测量。目前热释电光功率测量系统精确度很高，可以在典型值1mW的测量条件下达到0.5%的测量精度。热释电型传感器的优点包括测量精度比较高、响应快、能测量单脉冲能量，对微小激光功率也能有比较明显的响应等。

04 低温绝对辐射计

随着光纤技术的广泛应用，研究人员也开始关心微小激光功率的测量，热释电型激光功率计应运而生。除了对功率范围的要求之外，在精度提升方面，对绝对辐射计的研究推动了激光功率计测量基准的建立，后来出现的低温绝对辐射计（图5）使激光功率计的测量精度上限得到了飞跃性的提升。

1985年，精确度非常高的低温绝对辐射计被提出。现在的低温辐射计在测量波长范围为500 nm~16 μm的激光时，相对标准不确定度可以达到0.015%。这种功率计的缺点是系统比较复杂且体积庞大，适合于科学研究，难以实现广泛的应用。

05 流水式

随着测量功率的进一步增大，热电型功率计会产生温漂，吸收面温度不断升高也会引起功率计的损伤，为了使功率计的损伤阈值提高，出现了各种针对大功率测量的结构。流水式是其中一种基于激光的热效应对大功率激光进行功率测量的方法，如图6所示。

与其他光功率计结构不同，流水式光功率计是在光吸收材料的内部增加了一层水层，水作为比热容比较大的液体，能有效地带走激光被材料吸收产生的热量。水流出加热区域之后，通过水的流速和测量点的水温就可以计算得到激光功率。

20世纪80年代，中国计量科学研究院光学与激光计量科学研究所在高能激光的计量研究中，对流水式激光功率计进行了深入的研究，通过接收器工作原理和结构设计等方面的创新，使激光能量的量程和量值复现能力提高了上千倍，达到了国际先进水平。这种类似于水冷装置的设计的最大优点是能测量很大的功率，最新进展是在1~10kW的量程下；其缺点也比较明显，无法测量小功率，响应速度慢，无法准确得知激光功率随着时间的变化情况。各种典型激光功率计的特性如表1所示。

处了以上典型方法之外，还有一些应对大功率激光功率测量的改进结构，比如积分球方法。这种方法是基于传统热电堆型激光功率计改进而来。这种将激光热作用分散的方法增大了探测器的损坏阈值，能简单快速地测量大功率连续激光的功率。