功率是激光器的最重要的参数之一，因此激光功率计也就成为激光器制造商和激光器使用者最常用的测试仪器设备。激光功率计有哪几种类型？有哪些应用领域？未来发展面临哪些挑战？今天的这篇文章希望对大家有用。
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。
图1 激光功率测量原理发展历程
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。
图2 PIN型光电二极管传感器结构
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。
图3 应用于激光功率检测的热电堆传感器结构
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。
图4 热释电光功率传感器基本结构
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。
图5 低温绝对辐射计测量系统示意图
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。
图6 流水式光功率计示意图。（a）典型的流水式光功率计；（b）流水式光功率计的校准装置
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。
06 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。
图7 典型光致动力学光功率测量装置。
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。
激光功率测量的典型应用自1961年研究人员利用光电管接收激光照射产生的电压特性，首次测量了激光功率，激光功率测量应用领域不断拓展。
01 光通信
远距离光纤通信的核心部件之一是光中继器，在实际的应用中，光信号在光纤中传播50km以上之后就会有很明显的衰减，再经过更长的距离后信号就会十分微弱。光中继器的作用就是检测光纤信号传输过程中输出的微小功率，并将其进行放大和整形处理，使其进一步传播到更远的距离。光中继器的核心部件是光功率计，其分辨力直接影响光通信系统传播信息的误码率，灵敏度则影响光中继器架设的距离，功率计的响应时间直接影响信息传输速度的快慢。
目前的光中继器一般使用光电二极管作为激光功率计，因为其响应速度快以及波长检测范围覆盖通信波段等特性，在实际工作中应用十分广泛。高精度和大信息量的光纤通信也对光电二极管的分辨力、灵敏度和响应时间等性能参数提出了更高的要求。
02 激光加工
在涉及到激光加工的应用中，使用的激光功率一般都比较大，各种形式的大功率激光测量方案，比如流水式、积分球等，都是为了满足大功率激光的测量要求。
在一些高精度激光焊接和烧蚀的应用中，需要实时监测激光的功率以便进行调节。目前应用比较广泛的方法是使用分光比为10−5~10−6的分光镜进行分光，这种方式的缺点是在分光过程中，分光镜会难以避免地受热膨胀，造成分光比和光路方向的误差。
近几年来，受到广泛关注的光致动力学传感，由于能在不吸收激光的情况下测量较大的功率，将会成为一种激光加工在线功率测量的优选解决方案。该测量方案在测量较大的激光功率时，很难保证测量的绝对精度，无法得到激光功率比较微小的波动，然而激光功率随时间的微小变化会对被加工工件的质量造成比较大的影响，因此在扩大测量范围的同时提高测量精度是激光功率计的一个重要研究方向。
03 生物医疗
生物医疗领域一个比较重要的应用是用激光进行龋齿的预防。激光预防龋齿的原理比较复杂，包括激光热效应*菌、改变牙齿釉质结构和影响釉质渗透性等。激光单脉冲能量是该过程中的一个重要指标，使用激光能量计可以对激光脉冲能量进行评估，以便在不伤害患者的情况下获得更好的治疗效果。
04 现代国防
激光由于其高亮度、单色性和方向性好等特点，在国防领域获得了广泛的应用，包括激光测距、激光雷达、激光制导和激光武器等，其中很多应用都离不开激光功率计。
例如，瑞利散射激光雷达是激光雷达中的一种，有探测灵敏度高和时间空间分辨力强等优点，但因容易受到气溶胶的干扰，一般在30km以上的高空进行工作。这种激光雷达的一个重要测量参数是回光功率，因此测量端激光功率计的分辨力越高，雷达的时空分辨力就越高。由于散射光强度一般不是很高，故可以应用分辨力较高的激光功率计，如光电二极管式和热释电式传感器。
05 光纤传感
布里渊光时域反射（BOTDR）技术可以用于测量光纤中的熔接点、折射率变化、位移以及温度等参数。其中参考臂光功率的测量精度会直接影响BOTDR的测量结果。参考臂输出功率的反馈补偿结构能够比较好地解决这一问题。最直接的方法是提升传感器的精度和响应速度，以确保测量结果的可靠性。
06 电光元件
电光Q开关（Q-switch）是超短脉冲激光器的重要组成部分，可以通过阻断光在谐振腔内的反射通路来使激光器进入通光和截止两种状态。
除上述应用之外，在科学研究中，激光功率计还可以用来确定光电二极管的量子效率、测量微波的频率、测量皮秒脉冲激光的脉冲宽度，以及进行引力波测量仪的校准。此外，激光功率计还可以应用在其他很多需要激光作为光源的实验场合。
高精度激光功率测量面临的挑战对激光功率计的评价主要是对传感器基本参数的评价，包括灵敏度、时间分辨力、功率分辨力、功率测量范围、波长测量范围等。目前激光功率的测量出现了以下几种发展趋势：
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。
由此可见，高精度光功率测量目前面临以下几个挑战：
一是在降低测量不确定度的同时提升测量范围，包括功率以及波长的范围；
二是在激光加工等需要进行功率调整的场合，如何实现对光功率的实时监测；
三是如何提升光功率计的抗干扰能力，包括杂散光和电磁噪声的干扰；
四是基于热效应的光功率计需要溯源到更高精度的功率计。
小结激光功率计广泛应用于科学研究及生产实际中的各个领域。随着高能激光的应用和超快激光的出现，传统的激光功率计已经难以满足新的激光应用对功率测量的需求，在灵敏度、响应速度、抗干扰能力等方面都亟待提升。除了低温辐射计之外，其他应用更加广泛的激光功率计都难以达到精密测量的要求，导致其他需要激光功率计作为基础的应用发展较为滞后。相信随着仪器科学的研发，未来我国在高精度激光功率计领域会取得长足的进步，并推动激光相关产业的发展。
文 陈舒凡,房丰洲
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，微纳制造实验室
本文已获得作者授权，改写自《激光功率计发展及应用》
