激光功率测试方法介绍

功率是激光器的最重要的参数之一，对激光器进行测试时，激光功率是必须要测试的一个性能参数，可见激光功率的重要性。

什么是激光功率？

官方是这样定义的：激光功率是指激光器在单位时间内输出的光能量，通常以瓦特（W）为单位来衡量。

激光功率是评价激光器性能的一项重要参数，反映了激光器产生和传递光能的能力。

那么怎么计算激光功率？

了解激光功率，测试激光功率对我们有什么作用？

首先来说，激光功率的高低直接影响到激光器在各种应用中的效果，如材料加工的速度与质量、医疗手术的效果、通信系统的传输距离与容量等。较高的激光功率意味着激光器能在较短的时间内提供更多的能量，从而可能实现更快的切割速度、更深的打标深度、更高的数据传输速率等。

其次，在实际应用中，激光功率的测量与控制是非常关键的。激光功率的稳定性、可调节性以及能否在需要的范围内精确保持，对于保证激光加工过程的安全性、精确度以及最终产品的质量至关重要。激光器的设计与制造中通常会包含功率监测与控制装置，以确保激光功率在预设范围内稳定工作，并能在需要时进行精确调整。

而且更重要的是，激光功率还与激光安全密切相关。不同功率等级的激光对生物组织（特别是眼睛）有不同的潜在危害。按照国际激光安全标准（如IEC 60825系列标准），激光器被划分为不同的安全等级（Class 1至Class 4），其中激光功率是决定安全等级的重要因素之一。在使用激光器时，必须遵守相应的安全操作规程，使用适当的个人防护装备（如激光防护眼镜），以防止激光辐射对人员造成伤害。

只有全面的了解激光器的功率，我们才能在操作激光器的过程中，严格的遵照安全规范，同时才能把激光器的功能完全发挥出来。

了解了激光功率，以及激光功率的意义，那么我们怎么测试激光功率？

这个测试的过程就涉及到一些专业知识，作为一家第三方激光设备检测认证机构，一般我们在进行激光功率测试时，会对这两个指标进行测试，首先，平均功率。什么是平均功率？即测试激光器在一段时间内连续或重复脉冲状态下输出的总能量除以时间，通常以瓦特（W）为单位。然后，峰值功率，什么是峰值功率呢，即对于脉冲激光器，测试单个脉冲达到的最大功率，单位为瓦特（W）。

在对激光功率进行测试时，一般会采取以下这些常用方法

1、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。

2、热电堆型

随着激光技术的发展，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。

3、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1 mW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。

4、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。

5、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~ 10 kW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。

6、光致动力学传感

随着仪器测量精度的不断提高，光致微小力逐渐成为激光功率测量的重要研究方向。近些年来，由于高精度干涉仪和压电陶瓷传感器等高精度位移传感器的出现，对辐射压效应的研究不再局限于理论研究，对光致微小力的研究已逐渐走向了应用领域。

2013年，一种基于光致动力学进行光功率测量的方法被提出。这种方法的优势在于可以在不吸收激光的情况下进行激光功率的测量，实时监测激光功率，而且根据反射镜的参数，可以实现较大波长范围及功率范围的激光功率测量。由于光致动力学的原理是光在反射过程中和反射镜之间的作用，相比之前介绍的其他方法，光致动力学传感的一个很大优势是能在几乎不吸收激光的条件下实现光功率的测量，这为激光加工与测量等应用过程中的在线测量提供了有效的解决方案。

因为光致微小力造成的反射镜位移很小，研究人员为了测量出这个位移提出了几种新颖的测量系统结构（如图7所示）：悬挂式反射镜的测量结构、磁悬浮式结构、弹簧平衡式结构等。

除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。（相关数据来源于《激光功率计发展与应用》）

虽然激光功率的测量方法很多，但是随着科技的发展，激光功率的测量方法也在不断改进，主要体现在以下几个方面：

1. 高精度与宽动态范围：

随着激光应用领域对功率测量精度要求的不断提高，尤其是微纳制造、生物医疗、超快激光研究等精细加工和科学实验中，测量设备需要具备更高的绝对精度和更宽的动态范围。这推动了新型功率计的开发，如采用更先进的传感器技术和信号处理算法，以实现对从毫瓦到千瓦甚至更高功率范围的精确测量。

2. 实时动态监测与反馈控制：

在激光材料加工、激光医疗治疗等实时性要求高的场合，功率测量趋向于集成实时监测与闭环控制功能。这意味着功率计不仅要能准确测量激光功率，还要能快速响应功率变化，实时反馈给控制系统，实现对激光器输出功率的精确调控，确保加工或治疗过程的稳定性和一致性。

3. 智能化与自动化：

随着物联网（IoT）和工业4.0的发展，激光功率测量系统正朝着智能化和自动化方向演进。现代功率计往往配备有数字化接口（如USB、Ethernet、Wi-Fi、蓝牙等），支持远程控制、数据记录与分析、云服务连接等功能。部分高端设备还具备自我诊断、自动校准、故障预警等智能化特性，简化操作流程，提高工作效率。

4. 多参数综合测量：

除了基本的功率测量，现代激光应用越来越关注激光的其他特性参数，如波长、光束质量（M²因子）、脉冲特性（如脉冲宽度、重复频率、脉冲形状等）。因此，一体化、多参数的激光分析仪越来越受到青睐，它们能同时测量并分析激光的多种特性，为用户提供更全面的激光性能评估。

5. 适应新型激光源：

新型激光技术（如超快激光、光纤激光、半导体激光等）的发展催生了对新型功率测量技术的需求。例如，超短脉冲激光的功率测量需要考虑脉冲压缩、脉冲间相互作用等因素，可能需要用到自相关仪、FROG（Frequency-Resolved Optical Gating）等高级测量技术。光纤激光和半导体激光的功率测量则可能需要兼容光纤接口，具备对偏振态敏感的探测能力。

6. 微型化与便携式：

为适应现场测试、野外作业、设备集成等需求，激光功率计正变得越来越小巧、便携。手持式、电池供电的功率计以及模块化、嵌入式设计的功率传感单元越来越普遍，方便用户在各种环境下快速、便捷地进行激光功率测量。

7. 标准化与合规性：

随着激光安全标准的更新和完善，功率测量设备也需要符合最新的国际和地区法规要求，如IEC 60825系列标准、FDA激光产品性能标准等。这推动了功率计制造商在设计时充分考虑法规合规性，提供易于操作、具备安全互锁功能、内置警示标识的设备，以确保用户在合法、安全的前提下进行激光功率测量。

尤其是在高精度激光功率测量方面，激光功率测量有了很大的提升。就波长范围而言，针对光刻和激光疗法等应用，被测量激光的波长范围从可见光扩展到紫外和红外波段；就功率值大小而言，对于光纤传感中的微弱光信号，需要对小至皮瓦级的功率进行测量，针对激光加工等，又需要对高达数十千瓦的激光功率进行测量；就测量精度而言，相对测量不确定度从最早的约10%发展到0.1%甚至更小。

近年来随着各种测量原理的不断完善，以及新的测量需求出现，现在的激光功率计研究已经不再是以制作出能够投入使用的光功率计为目标，而是朝向高精度测量发展，使其能适应激光功率检测的高精度要求。

近几年来，外场激光功率测量已经成为了一个热门的研究方向。实际应用中由于杂散光的干扰，实现高精度的外场激光功率测量会比较困难，需要使用共模抑制或相干采样等方法对信号进行处理。

此外，一些激光传感技术的发展，也使得微弱激光信号的测量成为一个重要的研究方向。在测量mW至pW级的微弱激光时，光探头与光纤的功率耦合、寄生电容等多种因素都会对测量结果造成很大的影响。在一些特殊应用中，还需要激光功率计有比较好的抗电磁干扰能力，以适应本身带有较强电磁场的工作环境。近些年来一些新的校准方法的出现，也使光功率计测量精度有了更大的上升空间。

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