激光功率计的原理和类型

快速准确的激光功率测量对于科学研究和行业应用至关重要。激光功率计有各种不同的种类，相应的原理、应用场景等也不一样。本文简要介绍常见的几种激光功率计类型和原理。

1.光电二极管型激光功率计

光电二极管是基于光电效应设计的。光电二极管在没有受到光照时，对二极管施加反向电压会有微弱的暗电流；受到光照时，PN结中的束缚电子吸收光子能量后产生电子空穴对，在反向电压下会产生电流。电流大小与入射光功率成正比。光电二极管类的激光功率计具有灵敏度高和速度快的优点。但容易受到电噪声的干扰，且光谱响应不够平坦。

目前广泛使用的光电二极管型激光功率计使用的是PIN结构的光电二极管，相比传统PN结结构，增大了耗尽层，结电容小，响应速度更快。如以InGaAs为材料的光电二极管型激光功率计在产业上应用十分广泛。

2.热电堆型激光功率计

随着激光器功率的不断提高，光电二极管型的功率计由于功率饱和阈值低，已经无法满足测量需求，因而出现了测量更高激光功率的热电型功率计。这种功率计主要应用了金属的热电效应。当激光照射在热电偶一端时，会使热电偶一端的温度升高，从而在热电偶两端产生温度差和电压差。为了提高探测的灵敏度，通常会使用多个热电偶串联或并联，形成热电堆。这类功率计具有光谱响应平坦、不容易达到饱和、受光照角度和位置影响小等优点。缺点是响应速度较慢，因为要产生温度差，需要吸收热量这个缓慢过程。

3.热释电型激光功率计

这类功率计利用一些晶体的热释电效应实现功率测量。这些晶体内部自然存在着极化现象，当温度变化时，热扰动会使晶体中的极化状态发生变化，在晶体表面产生电荷。通过外部电路可以将其转化为电压信号从而对光功率进行测量。由于这类功率计主要是对温度变化率进行响应，因此不适合用于连续激光功率的测量，常用于测量单脉冲激光等。它的优点是测量精度高、响应快、灵敏度高。但强光持续照射也容易造成饱和吸收等情况。

4.低温绝对辐射计

低温绝对辐射计的发明使功率测量精度获得了飞跃性的提升。主要原理是：先让激光射入真空腔内对腔体加热，达到热平衡后测量温度值。之后再用电热丝对腔体进行加热，当达到相同温度时，流过电热丝的电流与光功率间形成等效关系。即P=I2R。当温度接近0K，并在真空条件下测量时，就称为低温绝对辐射计。这种辐射计覆盖的波长范围很广，测量不确定度很小。但缺点是系统复杂、体积庞大，比较适合用于科研场景。

5.流水式激光功率计

随着高功率激光器的出现，传统热电型功率计由于温漂以及高功率造成的器件损伤，已经难以满足测量需求，必须进一步提高功率计的损伤阈值。流水式功率计就是一种利用激光热效应对高功率激光进行测量的装置。它在吸光材料内部增加了流水层，利用高比热容的水把吸光材料的热量带走。通过水的流速和测量点的水温就可以计算得到激光功率。这种功率计可以测量千瓦至万瓦量级的激光，但是无法测量小功率激光，且响应速度慢，无法准确获得激光功率的实时变化情况。

6.光压式激光功率计

光压的概念在很多基础前沿研究中已经广泛提及。随着激光功率的不断增大和精密测量技术的不断发展，由光压产生的微小作用力已经能够被测量出来。它主要利用光在反射过程中与反射镜之间的作用力。2013年，国外研究人员设计并实现了基于光压原理的高功率激光测量装置。这种方法的优点是不需要吸收光能量就可以实现对光功率的测量，并且可以实现实时测量。通过调整反射镜的参数，还可以实现较大波长范围的功率测量。

目前，国际上已经提出了多种不同架构的光压功率计，包括悬挂式反射镜结构（图a）、磁悬浮结构（图b）、弹簧平衡结构（图c）等。该领域目前是比较热门的方向，后续有机会可以再深入介绍。