淺析如何選取激光功率計和能量計

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激光功率計和能量計主要用來測量光源的輸出。無論光發射是來源于弱光源(如熒光),還是來源于高能量的脈沖激光器,功率計和能量計都是實驗室、生產部門或是工作現場等多種應用環境中必不可少的工具。

激光功率計及能量計的區別

雖然激光功率計和能量計是分別提供的,但隨著能夠適用大量不同類型的光學傳感器的通用型儀表盤或顯示裝置的發展,它們也被合起來稱作單獨的一類儀器——功率和能量計,或PEM。儀器所采用的光學傳感器的類型,決定了其能測量光功率還是光能量,通常單位分別瓦特(W)或焦耳(J)。

具體來講,激光功率計能夠測量連續波(CW)或者重復脈沖光源,其所使用的傳感器通常是熱電堆或光電二極管。激光能量計則通常用于測量脈沖激光,即單脈沖或者重復脈沖光源,其所使用的傳感器包括熱釋電、熱電堆,或者帶有專門為測量脈沖光源而設計的電路的光電二極管。

系統配置

一些制造商將功率或能量計分為具有控制和示值讀數功能的測量部分(或儀表盤)和傳感器部分(也稱為探測器或探頭),兩者結合在一起就組成一套“測量系統”。另一些廠商將這兩者統稱為測量儀。無論哪種分類方式,傳感器都存儲有校準信息,儀表盤則測量傳感器的輸出電流,并參考校準表來輸出數據。

在某些配置中,儀表盤會作為探測器與用戶之間的接口,通過RS-232或者USB連接方式直接向電腦傳輸測量數據,在這種情況下,顯示裝置就不再是必需的了。測量數據可能包括功率、差值、總和、線性、對數值和幾個通道同時衰減的曲線。大部分PEM儀表盤是數字式的,但是對于功率只有小幅波動的應用而言,模擬式測試儀就足以勝任了。

傳感器的選擇比較復雜。目前市場上應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和響應范圍。每個光電二極管在不同的波長處具有不同的響應度。響應度的單位是A/W,代表了傳感器將入射光轉換為電流的效率。具有快速響應時間的傳感器對波長敏感,因此最適用于測量低功率激光。

熱傳感器通過將入射光轉換成熱能來測量功率或能量。熱傳感器在186nm~10.6μm的波長范圍內具有平坦的光譜響應,因此其適用于多波長或者非單色光的測量。光電二極管也可以測量紫外(UV)到紅外(IR)波段的波長,但是其在不同波長處具有不同的響應度,因此必須將激光波長輸入測量儀以獲得正確的讀數。在1800 nm或更長的波長處,熱探測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量。

熱釋電傳感器通過將光脈沖能量轉換成電壓信號來測量脈沖能量。熱釋電傳感器能響應較寬的波長范圍,但是其響應曲線不如熱傳感器那么平坦。熱釋電傳感器只能測量脈沖光源,并有最小帶寬要求以使傳感器能夠“看到”脈沖。

目前市場上的許多功率和能量計都兼容這三類傳感器。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;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。

選擇何種傳感器?

這部分內容將介紹哪些類型的傳感器可用于測量功率,哪些可用于測量能量,以及它們的測量范圍。用于測量功率的熱電堆探測器往往面積較大,具有較高的損傷閾值,功率測量范圍從毫瓦到千瓦?;诎雽w的光電二極管探測器不但體積較小,而且靈敏度高,功率測量范圍從皮瓦到毫瓦。

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

光電二極管探測器可與積分球一起使用,以獲得對光源的均勻和準確測量。

關鍵指標

選擇PEM時首先要考慮的指標是傳感器的波長范圍以及對功率和能量的測量范圍。測量儀應該能夠在未飽和的狀態下給出測量值。通常飽和電流在10mA量級(峰值響應處的功率約為10mW)。高功率的測量通常采用積分球或光衰減器來降低飽和。系統的另一個重要指標是最低可測量的功率/能量水平處的信噪比。典型的噪聲水平在幾mW量級,高靈敏度模塊可測量的功率低至1μW。

在挑選了合適的探頭來測量激光或寬帶光源后,下一個要考慮的問題是破壞閾值。用戶需要了解被測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。

脈寬是測量脈沖激光時需要考慮的一個關鍵因素。大多數傳感器具有不同的基于峰值功率的破壞閾值;當脈沖能量相同時,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。對于高于破壞閾值的應用,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。

另一個重要的指標是不確定度,這關系到準確性和一致性。大多數公司根據美國標準技術協會(NIST)制定的標準對其儀器進行校準,這些標準提供了基于標準物理常數的不確定度,例如水中的溫升。準確度的誤差應以百分比的形式對每個傳感器和顯示器進行標注。

每種型號的探頭和測量儀器的關鍵指標的工作范圍相差巨大。選擇的關鍵是要使激光器或光源的輸出參數與探測器和儀器的指標相匹配,即測量儀器的指標應該覆蓋激光器的輸出參數。

權衡與取舍

選擇PEM時需要進行許多權衡與取舍。例如,如果用戶需要測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,所以無法用同一個探頭讀取極高和極低的功率。用于更高讀數的能量探測器也會碰到同樣的情況。此外,某些特定產品可以測量單個脈沖的高能量,但是它們只能在低重復頻率下工作,不能在高功率下應用。因此,在實際應用中,用戶需要根據具體情況進行一定的權衡。

便攜式激光功率計

我們的功率計激光測量使用快捷簡便,手持功率計價格低、擺脫笨重的缺點具有重量輕,兩片式熱電堆功率計和探針,或者傳統"肉類溫度計"探針。非常適合工業、科學和醫療應用,當構建你自己的系統以及作為系統工具時候可以用來確保你的激光系統在任何時候具有最大的效能。

設計用于測量1-250W功率等級,功率計可測量從紫外到遠紅外的輸出功率。是測量準分子、氬離子、半導體、YAG和CO2激光器(僅舉幾例)性能的理想工具

自動數據保持和自動量程使功率計易于使用,簡單的插入傳感器到激光光束中并固定幾秒鐘,易讀的LCD屏將顯示準確的激光平均功率的測量值。僅簡單的推下重置鍵,功率計就可以準備好下次的測量。

波長范圍: 190nm – 11um

迷你尺寸

高準確

瞬時再次使用

易讀數字顯示

自動數字保持

自動量程

自動關閉

長壽命鋰電池

聲響信號 

規格參數:

測量范圍     1-250W    

分辨率     0.1W    

波長范圍     190nm – 11um    

校準個別波長1     10.6um    

吸收波長1, 190nm – 1.1um & 9-11um     0.96-0.99    

吸收波長1, 190nm – 1.1um     0.93-0.99    

準確度     ±5%    

光斑直徑     22mm    

固定測量時間     <4second    

最大允許輸入功率 (單一應用)     300W    

最大平均功率密度2     20kW/cm2    

最大峰值能量密度3     1J/cm2    

目標最大溫度     180oC    

典型每度量目標上升溫度     0.4oC/W    

典型電池壽命     5 年 (25,000 讀數)    

電池類型     3xCR2025 lithium    

自動關閉時間     25 秒    

數據保持時間     15 秒    

尺寸     159x30x12mm    

重量     80g    

未注參數可能有變化.

每個測量頭都配有典型吸收曲線

超過上述值可能引起涂層損壞

用于脈沖激光器和50usec脈寬

除了以上便攜式激光功率計產品外,我們的產品經理還愿意和客戶一塊開拓更多進口光學儀器的應用領域。例如以下領域:自相關儀、光纖折射率分析儀、光纖模式測量分析儀、激光光束質量分析儀、激光位移/距離測量傳感器、動態3D/4D顯微成像系統等



2018年10月24日 21:48
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