光功率計(jì)選型指南
光功率計(jì)的較為重要選擇標(biāo)準(zhǔn)是光探頭類型與預(yù)期的工作范圍相匹配。
     對(duì)于任何光纖傳輸系統(tǒng)的生產(chǎn)制造、安裝、運(yùn)行和維護(hù)，光功率測(cè)量是必不可少的。在光纖領(lǐng)域，沒(méi)有光功率計(jì)，任何工程、實(shí)驗(yàn)室、生產(chǎn)車間或電話維護(hù)設(shè)施都無(wú)法工作。例如：光功率計(jì)可用于測(cè)量激光光源和LED光源的輸出功率;用于確認(rèn)光纖鏈路的損耗估算;其中較為重要的是，它是測(cè)試光學(xué)元器件(光纖、連接器、接續(xù)子、衰減器等)的性能指標(biāo)的關(guān)鍵儀器。
　　
針對(duì)用戶的具體應(yīng)用，要選擇適合的光功率計(jì)，應(yīng)該關(guān)注以下各點(diǎn)：
　　1、選擇較優(yōu)的探頭類型和接口類型
　　2、評(píng)價(jià)校準(zhǔn)精度和制造校準(zhǔn)程序，與你的光纖和接頭要求范圍相匹配。
　　3、確定這些型號(hào)與你的測(cè)量范圍和顯示分辨率相一致。
　　4、具備直接插入損耗測(cè)量的dB功能。
　　
幾乎在光功率計(jì)所有性能中，光探頭是最應(yīng)仔細(xì)選擇的部件。光探頭是一個(gè)固態(tài)光電二極管，它從光纖網(wǎng)絡(luò)中接收耦合光，并將之轉(zhuǎn)換為電信號(hào)?？梢允褂脤Ｓ玫倪B接器接口(僅適用一種連接類型)輸入到探頭，或用通用接口UCI(使用螺扣連接)適配器。UCI能接受絕大多數(shù)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)連接器。基于選定波長(zhǎng)的校準(zhǔn)因子，光功率計(jì)電路將探頭輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換，把光功率讀數(shù)以dBm方式顯示(絕對(duì)dB等于1mW,0dBm=1mW)在屏幕上
　　
選擇光功率計(jì)較為重要的標(biāo)準(zhǔn)是使光探頭類型與預(yù)期的工作波長(zhǎng)范圍相匹配。。
　　
下一個(gè)因素與校準(zhǔn)精度息息相關(guān)。功率計(jì)是與你應(yīng)用相一致的方式校準(zhǔn)的嗎?即：光纖和連接器的性能標(biāo)準(zhǔn)與你的系統(tǒng)要求相一致。應(yīng)分析是什么原因?qū)е掠貌煌倪B接適配器測(cè)量值不確定性，充分考慮其它的潛在誤差因素是很重要的，雖然NIST(美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所)建立了美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，但是來(lái)自不同生產(chǎn)廠家相似的光源、光探頭類型、連接器的頻譜是不確定的。
　　
第三個(gè)步驟是確定符合你測(cè)量范圍需求的光功率計(jì)型號(hào)。以dBm為單位表示，測(cè)量范圍(量程)是全面的參數(shù)，包括確定輸入信號(hào)的最小/最大范圍(這樣光功率計(jì)可以保證所有精度，線性度(BELLCORE確定為+0.8dB)和分辨率(通常0.1dBor0.01dB)是否滿足應(yīng)用要求。
　　　　
第四，大多數(shù)光功率計(jì)具備dB功能(相對(duì)功率)，直接讀取光損耗在測(cè)量中非常實(shí)用。低成本的光功率計(jì)通常不提供此功能。沒(méi)有dB功能，技術(shù)人員必須記下單獨(dú)的參考值和測(cè)量值，然后計(jì)算其差值。所以dB功能給使用者以相對(duì)損耗測(cè)量，因而提高生產(chǎn)率，減少人工計(jì)算錯(cuò)誤。
　　
現(xiàn)在，用戶對(duì)光功率計(jì)具有的基本特性和功能的選擇已經(jīng)減少，但是，部分用戶要考慮特殊需求----包括：計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)紀(jì)錄、外部接口等
 

激光功率和能量計(jì)主要用來(lái)測(cè)量光源的輸出。無(wú)論光發(fā)射是來(lái)源于弱光源（如熒光），還是來(lái)源于高能量的脈沖激光器，功率和能量計(jì)都是實(shí)驗(yàn)室、生產(chǎn)部門或是工作現(xiàn)場(chǎng)等多種應(yīng)用環(huán)境中必不可少的工具。

雖然功率計(jì)和能量計(jì)是分別提供的，但隨著能夠適用大量不同類型的光學(xué)傳感器的通用型儀表盤或顯示裝置的發(fā)展，它們也被合起來(lái)稱作單獨(dú)的一類儀器——功率和能量計(jì)，或PEM。儀器所采用的光學(xué)傳感器的類型，決定了其能測(cè)量光功率還是光能量，通常單位分別瓦特（W）或焦耳（J）。具體來(lái)講，功率計(jì)能夠測(cè)量連續(xù)波（CW）或者重復(fù)脈沖光源，其所使用的傳感器通常是熱電堆或光電二極管。能量計(jì)則通常用于測(cè)量脈沖激光，即單脈沖或者重復(fù)脈沖光源，其所使用的傳感器包括熱釋電、熱電堆，或者帶有專門為測(cè)量脈沖光源而設(shè)計(jì)的電路的光電二極管。

系統(tǒng)配置

一些制造商將功率或能量計(jì)分為具有控制和示值讀數(shù)功能的測(cè)量部分（或儀表盤）和傳感器部分（也稱為探測(cè)器或探頭），兩者結(jié)合在一起就組成一套“測(cè)量系統(tǒng)”。另一些廠商將這兩者統(tǒng)稱為測(cè)量?jī)x。無(wú)論哪種分類方式，傳感器都存儲(chǔ)有校準(zhǔn)信息，儀表盤則測(cè)量傳感器的輸出電流，并參考校準(zhǔn)表來(lái)輸出數(shù)據(jù)。

在某些配置中，儀表盤會(huì)作為探測(cè)器與用戶之間的接口，通過(guò)RS-232或者USB連接方式直接向電腦傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)，在這種情況下，顯示裝置就不再是必需的了。測(cè)量數(shù)據(jù)可能包括功率、差值、總和、線性、對(duì)數(shù)值和幾個(gè)通道同時(shí)衰減的曲線。大部分PEM儀表盤是數(shù)字式的，但是對(duì)于功率只有小幅波動(dòng)的應(yīng)用而言，模擬式測(cè)試儀就足以勝任了。

傳感器的選擇比較復(fù)雜。目前市場(chǎng)上應(yīng)用的三種主要傳感器類型有：光電二極管、熱傳感器和熱釋電傳感器。光電二極管傳感器由光電二極管和ND）濾光片組成，以確保入射到探測(cè)器上的功率能夠保證傳感器線性工作，其中光電二極管通常選用硅（Si）、鍺（Ge）或銦砷化鎵等材料，每種光電二極管具有不同的峰值波長(zhǎng)和響應(yīng)范圍。每個(gè)光電二極管在不同的波長(zhǎng)處具有不同的響應(yīng)度。響應(yīng)度的單位是A/W，代表了傳感器將入射光轉(zhuǎn)換為電流的效率。具有快速響應(yīng)時(shí)間的傳感器對(duì)波長(zhǎng)敏感，因此較為適用于測(cè)量低功率激光。

熱傳感器通過(guò)將入射光轉(zhuǎn)換成熱能來(lái)測(cè)量功率或能量。熱傳感器在186nm~10.6μm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有平坦的光譜響應(yīng)，因此其適用于多波長(zhǎng)或者非單色光的測(cè)量。光電二極管也可以測(cè)量紫外（UV）到紅外（IR）波段的波長(zhǎng)，但是其在不同波長(zhǎng)處具有不同的響應(yīng)度，因此必須將激光波長(zhǎng)輸入測(cè)量?jī)x以獲得正確的讀數(shù)。在1800 nm或更長(zhǎng)的波長(zhǎng)處，熱探測(cè)器通常是唯一的選擇。熱傳感器可以承受高功率激光，但是如果功率變化范圍較大的話，則需要幾秒鐘才能達(dá)到平衡。由于不像光電二極管那樣靈敏，因此熱傳感器不適合用于低功率測(cè)量。

熱釋電傳感器通過(guò)將光脈沖能量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)來(lái)測(cè)量脈沖能量。熱釋電傳感器能響應(yīng)較寬的波長(zhǎng)范圍，但是其響應(yīng)曲線不如熱傳感器那么平坦。熱釋電傳感器只能測(cè)量脈沖光源，并有最小帶寬要求以使傳感器能夠“看到”脈沖。

目前市場(chǎng)上的許多功率和能量計(jì)都兼容這三類傳感器（見(jiàn)圖1）。如果將通用型儀表盤和功率傳感器一起使用，這套裝置就是功率計(jì)；如果將通用型儀表盤和能量傳感器一起使用，這套裝置就是能量計(jì)。

圖 1：Thorlabs公司為自由空間和光纖應(yīng)用設(shè)計(jì)的PM100D功率計(jì)，可以兼容超過(guò)25種不同的功率和能量傳感器。根據(jù)所選取的傳感器，其可測(cè)量的光功率范圍為100pW~250W，可測(cè)量的能量范圍為3μJ~15J。當(dāng)與新型超緊湊的S150C系列光纖傳感器一起使用時(shí)，PM100D就變成了一款緊湊便攜的光纖功率計(jì)，是現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用的理想選擇。

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(cè)量功率，哪些可用于測(cè)量能量，以及它們的測(cè)量范圍。用于測(cè)量功率的熱電堆探測(cè)器往往面積較大，具有較高的損傷閾值，功率測(cè)量范圍從毫瓦到千瓦。基于半導(dǎo)體的光電二極管探測(cè)器不但體積較小，而且靈敏度高，功率測(cè)量范圍從皮瓦到毫瓦。

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

光電二極管探測(cè)器可與積分球一起使用，以獲得對(duì)光源的均勻和準(zhǔn)確測(cè)量。Lasermet公司帶有積分球的光電二極管探頭，通常能夠測(cè)量的功率小至1μW；緊湊型探頭能夠測(cè)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(jiàn)圖2）。熱探頭通?？梢詼y(cè)量的功率低至1mW。

圖2：Lasermet公司的手持式ADM1000數(shù)字式測(cè)量?jī)x，通過(guò)熱探頭和光電二極管探頭，能在較寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)測(cè)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(cè)量、顯示高達(dá)400kHz的脈沖波形。

對(duì)于高功率光源，Lasermet公司的光電二極管探頭通常可以測(cè)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(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確度），則可以測(cè)量更高的功率。熱探頭可以測(cè)量的功率高達(dá)20W，特制的熱探頭可以測(cè)量功率高達(dá)100W甚至幾千瓦的激光。

光電二極管擁有較快的響應(yīng)速度。Lasermet公司的IPDH-10S和IPDH-10C光電二極管與ADM1000一起使用時(shí)，頻率響應(yīng)可達(dá)到400kHz，這比市場(chǎng)上其他任何探測(cè)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(cè)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(cè)器則容易受到熱干擾和熱漂移的影響，因此更難準(zhǔn)確使用。目前市場(chǎng)上已經(jīng)有一些熱探測(cè)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(biāo)

選擇PEM時(shí)首先要考慮的指標(biāo)是傳感器的波長(zhǎng)范圍以及對(duì)功率和能量的測(cè)量范圍。測(cè)量?jī)x應(yīng)該能夠在未飽和的狀態(tài)下給出測(cè)量值。通常飽和電流在10mA量級(jí)（峰值響應(yīng)處的功率約為10mW）。高功率的測(cè)量通常采用積分球或光衰減器來(lái)降低飽和。系統(tǒng)的另一個(gè)重要指標(biāo)是最低可測(cè)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(jí)，高靈敏度模塊可測(cè)量的功率低至1μW。

在挑選了合適的探頭來(lái)測(cè)量激光或?qū)拵Ч庠春?，下一個(gè)要考慮的問(wèn)題是破壞閾值。用戶需要了解被測(cè)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(cè)量脈沖激光時(shí)需要考慮的一個(gè)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(dāng)脈沖能量相同時(shí)，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(duì)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(gè)重要的指標(biāo)是不確定度，這關(guān)系到準(zhǔn)確性和一致性。大多數(shù)公司根據(jù)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)協(xié)會(huì)（NIST）制定的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)提供了基于標(biāo)準(zhǔn)物理常數(shù)的不確定度，例如水中的溫升。準(zhǔn)確度的誤差應(yīng)以百分比的形式對(duì)每個(gè)傳感器和顯示器進(jìn)行標(biāo)注（見(jiàn)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(zhǎng)測(cè)量范圍從紫外到遠(yuǎn)紅外，能量測(cè)量范圍從100fJ到幾百焦，功率測(cè)量范圍從10pW到10kW，光源的重復(fù)頻率可高達(dá)10kHz。Juno通過(guò)USB接口將筆記本或臺(tái)式電腦轉(zhuǎn)換成一個(gè)激光PEM，是現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)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(hào)的探頭和測(cè)量?jī)x器的關(guān)鍵指標(biāo)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(cè)器和儀器的指標(biāo)相匹配，即測(cè)量?jī)x器的指標(biāo)應(yīng)該覆蓋激光器的輸出參數(shù)。



權(quán)衡與取舍

選擇PEM時(shí)需要進(jìn)行許多權(quán)衡與取舍。例如，如果用戶需要測(cè)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(wú)法用同一個(gè)探頭讀取極高和極低的功率。用于更高讀數(shù)的能量探測(cè)器也會(huì)碰到同樣的情況。此外，某些特定產(chǎn)品可以測(cè)量單個(gè)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(shí)際應(yīng)用中，用戶需要根據(jù)具體情況進(jìn)行一定的權(quán)衡。

雖然PEM已經(jīng)出現(xiàn)了很長(zhǎng)一段時(shí)間，但激光和太赫茲源技術(shù)的新進(jìn)展，已經(jīng)為光源測(cè)量創(chuàng)造了新的挑戰(zhàn)，這些測(cè)量需要獨(dú)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(lái)，測(cè)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(jì)，希望廣大用戶真正能從中受益（見(jiàn)圖4）。

圖 4：Gentec-EO公司的Mach 5型數(shù)字焦耳計(jì)，用于測(cè)量高重復(fù)頻率的DPSS、調(diào)Q激光器和重復(fù)頻率高達(dá)130kHz的超快光纖激光器的輸出，測(cè)量精度高達(dá)12位。Mach 5在最大重復(fù)頻率下可以存儲(chǔ)多達(dá)400萬(wàn)個(gè)脈沖（40秒的數(shù)據(jù)）。Mach 5的探頭包括熱釋電探測(cè)器、硅探測(cè)器和InGaAs探測(cè)器，可測(cè)量的能量范圍從μJ到mJ量級(jí)，測(cè)量精確度可達(dá)4％。

激光功率計(jì)的選擇

    選擇適合的激光功率計(jì)是激光從業(yè)人員都會(huì)碰到的一個(gè)基本問(wèn)題，激光功率計(jì)的選擇主要需要考慮如下幾個(gè)參數(shù)：激光波長(zhǎng)、功率、光束直徑，選擇具體型號(hào)時(shí)還要考慮損傷閾值留有一定的余量。

 

    激光功率計(jì)可測(cè)功率范圍覆蓋pW級(jí)到25KW，激光能量計(jì)可測(cè)能量范圍240fJ~150J；有效孔徑3mm ? ~ 95mm ?；最大允許重復(fù)頻率6KHz；最大允許脈寬5ms。

    激光功率計(jì)的選購(gòu)看性能特點(diǎn)

    1.在寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)（0.19-11μm）光譜響應(yīng)平坦，故其功率/能量響應(yīng)率不隨波長(zhǎng)而變，對(duì)任何激光器的測(cè)量均可免除波長(zhǎng)較正的麻煩；

    2.吸收表面可耐受強(qiáng)功率密度(100MW/cm2 ，@10nS脈沖)，可直接測(cè)量強(qiáng)光，避免了使用衰減器的麻煩及附加誤差；

    3.高靈敏度，分辨率可達(dá)1μW/1μJ；

    4.響應(yīng)速度快；

    5.熱穩(wěn)定性好。

    雖然功率計(jì)和能量計(jì)是分別提供的，但隨著能夠適用大量不同類型的光學(xué)傳感器的通用型儀表盤或顯示裝置的發(fā)展，它們也被合起來(lái)稱作單獨(dú)的一類儀器——功率和能量計(jì)，或PEM。

    儀器所采用的光學(xué)傳感器的類型，決定了其能測(cè)量光功率還是光能量，通常單位分別瓦特（W）或焦耳（J）。具體來(lái)講，功率計(jì)能夠測(cè)量連續(xù)波（CW）或者重復(fù)脈沖光源，其所使用的傳感器通常是熱電堆或光電二極管。

    能量計(jì)則通常用于測(cè)量脈沖激光，即單脈沖或者重復(fù)脈沖光源，其所使用的傳感器包括熱釋電、熱電堆，或者帶有專門為測(cè)量脈沖光源而設(shè)計(jì)的電路的光電二極管。

    激光功率和能量計(jì)主要用來(lái)測(cè)量光源的輸出。無(wú)論光發(fā)射是來(lái)源于弱光源（如熒光），還是來(lái)源于高能量的脈沖激光器，功率和能量計(jì)都是實(shí)驗(yàn)室、生產(chǎn)部門或是工作現(xiàn)場(chǎng)等多種應(yīng)用環(huán)境中必不可少的工具。

標(biāo)簽: 激光功率計(jì)

激光功率計(jì)標(biāo)簽： 激光功率計(jì)的選擇_激光功率計(jì)組合標(biāo)題：

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