激光功率计和能量计的工作原理

激光功率和能量计主要用来测量光源的输出。无论光发射是来源于弱光源(如荧光)，还是来源于高能量的脉冲激光器，功率和能量计都是实验室、生产部门或是工作现场等多种应用环境中必不可少的工具。虽然功率计和能量计是分别提供的，但随着能够大量不同类型的光学传感器的通用型仪表盘或显示装置的发展，它们也被合起来称作单独的一类仪器——功率和能量计。

功率计一般由热电堆或光电二极管构成，热电堆用来测高功率，光电二极管用来测低功率。能量计由热释电材料构成，热释电材料对脉冲信号有响应。其中将激光功率转换成热量的膜层起着非常重要的作用，是激光功率或能量计的核心技术。

热电堆功率计反应时间都比较慢，由其原理决定的，热电堆功率的响应时间取决于激光在功率计表面被膜层吸收后，产生的热量传递到功率计圆盘边缘所需要的热传递时间。测量功率越大，一般来说所需要的探测圆盘直径越大，对较大的功率计探头而言，热传递所需要的时间都在秒量级，所以超大功率计所需要的响应时间也比较长。当然也有一些特殊设计的热电偶结构，测量热传递的方向和激光方向一致，把这个方向的热电偶做的很薄，微米量级，这样大大降低了热传递所需要的时间，可将功率计热响应时间下降到毫秒以下。

激光探头是一个涂有热电材料的吸收体，热电材料吸收大部分的光能量并转化成热量，只有少部分反射。吸收与反射比例与材料的光谱响应曲线有关，吸收体的储热体和它的厚度决定了热量传输到探头的速度和反应时间。探头温度变化，能够产生电流，电流通过薄片环形电阻转变成电压信号传输出来。

功率计标定的目的，是校准自身测量精度，保证测量数值在功率计使用报告的误差范围内，从而保证功率计正常的使用精度。功率计标定采用第三方功率计来测量，根据出厂标定报告，采用不同的功率，在不损坏功率计的前提下，检验功率计实际标定的准确性和稳定性。

功率测量，是考虑系统和随机误差基础上，获取功率真实值的一个过程，存在一定的功率不确定性。对于功率测量，存在两种功率，一种是准确度，即实测值与真实值之间的偏差;另一种是功率稳定性，即反复同一条件测量的功率波动范围。

具体来讲，功率计能够测量连续波(CW)或者重复脉冲光源，其所使用的传感器通常是热电堆或光电二极管。能量计则通常用于测量脉冲激光，即单脉冲或者重复脉冲光源，其所使用的传感器包括热释电、热电堆，或者带有专门为测量脉冲光源而设计的电路的光电二极管。

光电二极管功率计原理：

光电二极管的核心部分是个PN结，当在PN结加上适当反向电压时，由于缺乏载流子，PN结内无电流通过。当光子照射在PN结上时，电子或空穴摆脱束缚，在PN结内形成光生载流子，光生载流子在电场的作用下产生漂移而形成电流，电流的大小和入射光的能量成比例。光电二极管是基于光电效应，响应时间很快但也很容易电流饱和，只能测非常小的功率。

热释电能量计原理：

当热释电晶体受热时，晶体就会产生极化现象，使晶体两端产生极化电荷，在晶体的两端镀上金属层，构成了一个电容器。则在温度梯度作用下，极化的电荷集结在电容器的两端，产生电压信号。电压信号与探测器膜层吸收光转化的热量形成的温度梯度成正比。热释电探头不适合探测连续或长脉宽的激光，因为电容器的存储的电荷容易饱和或者说电容器只对交流或脉冲信号有响应。

审核编辑 黄宇