功率是激光器的最重要的參數(shù)之一，對激光器進行測試時，激光功率是必須要測試的一個性能參數(shù)，可見激光功率的重要性。

什么是激光功率？

官方是這樣定義的：激光功率是指激光器在單位時間內(nèi)輸出的光能量，通常以瓦特（W）為單位來衡量。

激光功率是評價激光器性能的一項重要參數(shù)，反映了激光器產(chǎn)生和傳遞光能的能力。

那么怎么計算激光功率？

了解激光功率，測試激光功率對我們有什么作用？

首先來說，激光功率的高低直接影響到激光器在各種應(yīng)用中的效果，如材料加工的速度與質(zhì)量、醫(yī)療手術(shù)的效果、通信系統(tǒng)的傳輸距離與容量等。較高的激光功率意味著激光器能在較短的時間內(nèi)提供更多的能量，從而可能實現(xiàn)更快的切割速度、更深的打標(biāo)深度、更高的數(shù)據(jù)傳輸速率等。

其次，在實際應(yīng)用中，激光功率的測量與控制是非常關(guān)鍵的。激光功率的穩(wěn)定性、可調(diào)節(jié)性以及能否在需要的范圍內(nèi)精確保持，對于保證激光加工過程的安全性、精確度以及最終產(chǎn)品的質(zhì)量至關(guān)重要。激光器的設(shè)計與制造中通常會包含功率監(jiān)測與控制裝置，以確保激光功率在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，并能在需要時進行精確調(diào)整。

而且更重要的是，激光功率還與激光安全密切相關(guān)。不同功率等級的激光對生物組織（特別是眼睛）有不同的潛在危害。按照國際激光安全標(biāo)準(zhǔn)（如IEC 60825系列標(biāo)準(zhǔn)），激光器被劃分為不同的安全等級（Class 1至Class 4），其中激光功率是決定安全等級的重要因素之一。在使用激光器時，必須遵守相應(yīng)的安全操作規(guī)程，使用適當(dāng)?shù)膫€人防護裝備（如激光防護眼鏡），以防止激光輻射對人員造成傷害。

只有全面的了解激光器的功率，我們才能在操作激光器的過程中，嚴(yán)格的遵照安全規(guī)范，同時才能把激光器的功能完全發(fā)揮出來。

了解了激光功率，以及激光功率的意義，那么我們怎么測試激光功率？

這個測試的過程就涉及到一些專業(yè)知識，作為一家第三方激光設(shè)備檢測認(rèn)證機構(gòu)，一般我們在進行激光功率測試時，會對這兩個指標(biāo)進行測試，首先，平均功率。什么是平均功率？即測試激光器在一段時間內(nèi)連續(xù)或重復(fù)脈沖狀態(tài)下輸出的總能量除以時間，通常以瓦特（W）為單位。然后，峰值功率，什么是峰值功率呢，即對于脈沖激光器，測試單個脈沖達到的最大功率，單位為瓦特（W）。

在對激光功率進行測試時，一般會采取以下這些常用方法

1、光電二極管型

早期激光器由于功率較小，用光電型激光功率計進行測量即能滿足使用要求。光電型激光功率計具有靈敏和快速的特點，是最早出現(xiàn)的功率計。

光電二極管型激光功率計的結(jié)構(gòu)簡單，因為沒有利用光的熱效應(yīng)，對外界環(huán)境溫度的要求比較低，相比于熱效應(yīng)功率計響應(yīng)速度更快；缺點是更容易受到電噪聲干擾，而且光譜響應(yīng)不夠平坦。

目前用于光功率測量的光電二極管主要是PIN型光電二極管（如圖2），相比傳統(tǒng)的PN型，這種結(jié)構(gòu)增大了PN結(jié)中間的耗盡層，結(jié)電容小，響應(yīng)速度更快。以 InGaAs為材料的PIN管，由于其低噪聲和高響應(yīng)度等特性，在工業(yè)界和科學(xué)研究領(lǐng)域都可實現(xiàn)廣泛的應(yīng)用。

1987年，自從利用光電二極管測量激光功率的方法提出，發(fā)展至今，基于光電二極管型光功率的測量已經(jīng)成為一項十分成熟并廣泛應(yīng)用的技術(shù)。光電二極管型的激光功率計有很高的分辨力，可以達到0.01 dBm。目前，實際生產(chǎn)中常用的光電二極管型光功率計有硅、鍺、銦鎵砷、碲鎘汞等類型，覆蓋了從可見光到紅外的較大波長范圍。

2、熱電堆型

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，各種激光器相繼問世。從最開始的固體激光器，到后來出現(xiàn)的氣體激光器、液體激光器、半導(dǎo)體激光器，以及最近的自由電子激光器，隨著被測量的激光功率不斷增大，功率的測量范圍超過了光電型功率計的飽和閾值。因此，出現(xiàn)了可以測量更大功率的熱電型功率計。

熱電堆式激光功率計是熱電型光功率測量的典型器件，利用的是激光的熱效應(yīng)和金屬中的熱電效應(yīng)，如圖3。熱電型傳感器具有光譜響應(yīng)平坦、相對不容易達到飽和、受光照角度和位置影響較小等優(yōu)點；缺點是響應(yīng)速度比較慢。

1970年，基于熱電偶以及真空腔的激光功率探測裝置首次被制出。現(xiàn)在該類型的激光功率計不需要絕熱環(huán)境就可以達到比較高的測量穩(wěn)定性，在測量標(biāo)準(zhǔn)值為?10.000 dBm的850 nm光源時測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差可以達到0.003 dBm。

3、熱釋電型

熱釋電傳感器基于一些晶體的熱釋電效應(yīng)進行傳感，如圖4所示。由于測量的是溫度變化，熱釋電傳感器一般不適合用來測量連續(xù)激光?；跓後岆娦?yīng)的功率計一般稱為熱釋電能量計，適合測量單脈沖的能量。

      1982年，熱釋電效應(yīng)成功被應(yīng)用于激光功率的測量。目前熱釋電光功率測量系統(tǒng)精確度很高，可以在典型值1 mW的測量條件下達到0.5%的測量精度。熱釋電型傳感器的優(yōu)點包括測量精度比較高、響應(yīng)快、能測量單脈沖能量，對微小激光功率也能有比較明顯的響應(yīng)等。

4、低溫絕對輻射計

隨著光纖技術(shù)的廣泛應(yīng)用，研究人員也開始關(guān)心微小激光功率的測量，熱釋電型激光功率計應(yīng)運而生。除了對功率范圍的要求之外，在精度提升方面，對絕對輻射計的研究推動了激光功率計測量基準(zhǔn)的建立，后來出現(xiàn)的低溫絕對輻射計（圖5）使激光功率計的測量精度上限得到了飛躍性的提升。

1985年，精確度非常高的低溫絕對輻射計被提出。現(xiàn)在的低溫輻射計在測量波長范圍為500 nm~16 μm的激光時，相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度可以達到0.015%。這種功率計的缺點是系統(tǒng)比較復(fù)雜且體積龐大，適合于科學(xué)研究，難以實現(xiàn)廣泛的應(yīng)用。

5、流水式

隨著測量功率的進一步增大，熱電型功率計會產(chǎn)生溫漂，吸收面溫度不斷升高也會引起功率計的損傷，為了使功率計的損傷閾值提高，出現(xiàn)了各種針對大功率測量的結(jié)構(gòu)。流水式是其中一種基于激光的熱效應(yīng)對大功率激光進行功率測量的方法，如圖6所示。

   與其他光功率計結(jié)構(gòu)不同，流水式光功率計是在光吸收材料的內(nèi)部增加了一層水層，水作為比熱容比較大的液體，能有效地帶走激光被材料吸收產(chǎn)生的熱量。水流出加熱區(qū)域之后，通過水的流速和測量點的水溫就可以計算得到激光功率。 

20世紀(jì)80年代，中國計量科學(xué)研究院光學(xué)與激光計量科學(xué)研究所在高能激光的計量研究中，對流水式激光功率計進行了深入的研究，通過接收器工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面的創(chuàng)新，使激光能量的量程和量值復(fù)現(xiàn)能力提高了上千倍，達到了國際先進水平。這種類似于水冷裝置的設(shè)計的最大優(yōu)點是能測量很大的功率，最新進展是在1~ 10 kW的量程下；其缺點也比較明顯，無法測量小功率，響應(yīng)速度慢，無法準(zhǔn)確得知激光功率隨著時間的變化情況。各種典型激光功率計的特性如表1所示。

6、光致動力學(xué)傳感

隨著儀器測量精度的不斷提高，光致微小力逐漸成為激光功率測量的重要研究方向。近些年來，由于高精度干涉儀和壓電陶瓷傳感器等高精度位移傳感器的出現(xiàn)，對輻射壓效應(yīng)的研究不再局限于理論研究，對光致微小力的研究已逐漸走向了應(yīng)用領(lǐng)域。

2013年，一種基于光致動力學(xué)進行光功率測量的方法被提出。這種方法的優(yōu)勢在于可以在不吸收激光的情況下進行激光功率的測量，實時監(jiān)測激光功率，而且根據(jù)反射鏡的參數(shù)，可以實現(xiàn)較大波長范圍及功率范圍的激光功率測量。由于光致動力學(xué)的原理是光在反射過程中和反射鏡之間的作用，相比之前介紹的其他方法，光致動力學(xué)傳感的一個很大優(yōu)勢是能在幾乎不吸收激光的條件下實現(xiàn)光功率的測量，這為激光加工與測量等應(yīng)用過程中的在線測量提供了有效的解決方案。

因為光致微小力造成的反射鏡位移很小，研究人員為了測量出這個位移提出了幾種新穎的測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（如圖7所示）：懸掛式反射鏡的測量結(jié)構(gòu)、磁懸浮式結(jié)構(gòu)、彈簧平衡式結(jié)構(gòu)等。

除了以上典型方法之外，還有一些應(yīng)對大功率激光功率測量的改進結(jié)構(gòu)，比如積分球方法。這種方法是基于傳統(tǒng)熱電堆型激光功率計改進而來。這種將激光熱作用分散的方法增大了探測器的損壞閾值，能簡單快速地測量大功率連續(xù)激光的功率。（相關(guān)數(shù)據(jù)來源于《激光功率計發(fā)展與應(yīng)用》）

雖然激光功率的測量方法很多，但是隨著科技的發(fā)展，激光功率的測量方法也在不斷改進，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1. 高精度與寬動態(tài)范圍：

隨著激光應(yīng)用領(lǐng)域?qū)β蕼y量精度要求的不斷提高，尤其是微納制造、生物醫(yī)療、超快激光研究等精細(xì)加工和科學(xué)實驗中，測量設(shè)備需要具備更高的絕對精度和更寬的動態(tài)范圍。這推動了新型功率計的開發(fā)，如采用更先進的傳感器技術(shù)和信號處理算法，以實現(xiàn)對從毫瓦到千瓦甚至更高功率范圍的精確測量。

2. 實時動態(tài)監(jiān)測與反饋控制：

在激光材料加工、激光醫(yī)療治療等實時性要求高的場合，功率測量趨向于集成實時監(jiān)測與閉環(huán)控制功能。這意味著功率計不僅要能準(zhǔn)確測量激光功率，還要能快速響應(yīng)功率變化，實時反饋給控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對激光器輸出功率的精確調(diào)控，確保加工或治療過程的穩(wěn)定性和一致性。

3. 智能化與自動化：

隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和工業(yè)4.0的發(fā)展，激光功率測量系統(tǒng)正朝著智能化和自動化方向演進?，F(xiàn)代功率計往往配備有數(shù)字化接口（如USB、Ethernet、Wi-Fi、藍牙等），支持遠程控制、數(shù)據(jù)記錄與分析、云服務(wù)連接等功能。部分高端設(shè)備還具備自我診斷、自動校準(zhǔn)、故障預(yù)警等智能化特性，簡化操作流程，提高工作效率。

4. 多參數(shù)綜合測量：

除了基本的功率測量，現(xiàn)代激光應(yīng)用越來越關(guān)注激光的其他特性參數(shù)，如波長、光束質(zhì)量（M2因子）、脈沖特性（如脈沖寬度、重復(fù)頻率、脈沖形狀等）。因此，一體化、多參數(shù)的激光分析儀越來越受到青睞，它們能同時測量并分析激光的多種特性，為用戶提供更全面的激光性能評估。

5. 適應(yīng)新型激光源：

新型激光技術(shù)（如超快激光、光纖激光、半導(dǎo)體激光等）的發(fā)展催生了對新型功率測量技術(shù)的需求。例如，超短脈沖激光的功率測量需要考慮脈沖壓縮、脈沖間相互作用等因素，可能需要用到自相關(guān)儀、FROG（Frequency-Resolved Optical Gating）等高級測量技術(shù)。光纖激光和半導(dǎo)體激光的功率測量則可能需要兼容光纖接口，具備對偏振態(tài)敏感的探測能力。

6. 微型化與便攜式：

為適應(yīng)現(xiàn)場測試、野外作業(yè)、設(shè)備集成等需求，激光功率計正變得越來越小巧、便攜。手持式、電池供電的功率計以及模塊化、嵌入式設(shè)計的功率傳感單元越來越普遍，方便用戶在各種環(huán)境下快速、便捷地進行激光功率測量。

7. 標(biāo)準(zhǔn)化與合規(guī)性：

隨著激光安全標(biāo)準(zhǔn)的更新和完善，功率測量設(shè)備也需要符合最新的國際和地區(qū)法規(guī)要求，如IEC 60825系列標(biāo)準(zhǔn)、FDA激光產(chǎn)品性能標(biāo)準(zhǔn)等。這推動了功率計制造商在設(shè)計時充分考慮法規(guī)合規(guī)性，提供易于操作、具備安全互鎖功能、內(nèi)置警示標(biāo)識的設(shè)備，以確保用戶在合法、安全的前提下進行激光功率測量。

尤其是在高精度激光功率測量方面，激光功率測量有了很大的提升。就波長范圍而言，針對光刻和激光療法等應(yīng)用，被測量激光的波長范圍從可見光擴展到紫外和紅外波段；就功率值大小而言，對于光纖傳感中的微弱光信號，需要對小至皮瓦級的功率進行測量，針對激光加工等，又需要對高達數(shù)十千瓦的激光功率進行測量；就測量精度而言，相對測量不確定度從最早的約10%發(fā)展到0.1%甚至更小。

近年來隨著各種測量原理的不斷完善，以及新的測量需求出現(xiàn)，現(xiàn)在的激光功率計研究已經(jīng)不再是以制作出能夠投入使用的光功率計為目標(biāo)，而是朝向高精度測量發(fā)展，使其能適應(yīng)激光功率檢測的高精度要求。

近幾年來，外場激光功率測量已經(jīng)成為了一個熱門的研究方向。實際應(yīng)用中由于雜散光的干擾，實現(xiàn)高精度的外場激光功率測量會比較困難，需要使用共模抑制或相干采樣等方法對信號進行處理。

此外，一些激光傳感技術(shù)的發(fā)展，也使得微弱激光信號的測量成為一個重要的研究方向。在測量mW至pW級的微弱激光時，光探頭與光纖的功率耦合、寄生電容等多種因素都會對測量結(jié)果造成很大的影響。在一些特殊應(yīng)用中，還需要激光功率計有比較好的抗電磁干擾能力，以適應(yīng)本身帶有較強電磁場的工作環(huán)境。近些年來一些新的校準(zhǔn)方法的出現(xiàn)，也使光功率計測量精度有了更大的上升空間。

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