激光功率计发展及应用 
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1 前言
激光起源于1917年Einstein发现的受激辐射现象［1］。自1960年Maiman研发出第一台红宝石激光器以来［2］，激光由于其单向性、单色性、偏振性以及高亮度等特性，在科学研究及工业生产上迅速得到了广泛应用［3-9］。随着激光应用在各个领域的逐渐深入，如何快速准确地测量激光功率成为十分重要的研究课题。
为了将激光的功率转化为电信号进行测量，研究人员首先想到的是利用光电效应。1961年，Maiman等［10］在研究固体中的受激辐射时，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。随后，Li等［11］于1962年利用热电偶测量了光功率。受到当时激光技术发展的限制，此设备测量的是微波波段的电磁波功率。
随着激光功率测量应用领域的拓展，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，高精度激光功率的测量成为一个十分热门的研究课题。本文系统论述了典型激光功率计的测量原理、特点及其应用，探讨了高精度激光功率测量面临的挑战以及未来的发展方向。
2 光功率测量原理
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。研究人员在这些原理的基础上，利用现代的科学技术对不同情境下的激光功率测量方式进行了研发和完善，逐渐形成了如
2.1 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。光电二极管没有受到光照时，给二极管施加反向电压，会有一个很微弱的电流通过，即暗电流；受到光照后，光子的能量会传递给PN结中的束缚电子，产生电子空穴对，进而在反向电压的作用下产生电流，电流的大小与入射的光功率成正比，即
其中I为光电流，P为入射光功率，R0称为光电二极管的响应度。目前用于光功率测量的光电二极管主要是如
1987年，Faaland 等［16］提出了利用光电二极管测量激光功率的方法。发展到今天，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［17-29］。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［23］。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。
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。
2.2 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。单个热电偶无法提供足够的探测灵敏度，通常需将多个热电偶串联或并联起来，使各个热电偶的输出电压相加，从而形成如
其中
图 3. 应用于激光功率检测的热电堆传感器结构
Fig. 3. Sensor structure based on electric thermopile for laser power measurement
1970年，West等［14］首次制作出了基于热电偶以及真空腔的激光功率探测装置。随后的1973年，Gunn等［30］提出了几种基于热效应的光功率测量结构。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［31-37］，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［37］。
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。
2.3 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。产生热释电效应的晶体内部存在自然电极化现象，温度变化时，热扰动造成晶格中的原子产生轻微的运动，导致整个晶体的电极化状态发生变化，其表现为晶体的表面产生电荷，通过电路将其转化成电压输出就可以得到被测量的激光功率。传感器的示意图如
图 4. 热释电光功率传感器基本结构
Fig. 4. Structure of pyroelectric sensor for optical power measurement
1982年，Huang等［13］将热释电效应成功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［38-43］，可以在典型值1 mW的测量条件下达到0.5%的测量精度［42］。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。
2.4 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（
温度接近0 K以及真空的测量条件下，这种测量结构被称为低温绝对辐射计，精确度非常高［12， 45-47］，该方法由Martin在1985年提出［12］。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%［45］。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。
2.5 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. 流水式光功率计示意图[48]。(a)典型的流水式光功率计；(b)流水式光功率计的校准装置
Fig. 6. Diagrams of flowing-water optical power meter[48]. (a) Typical flowing-water optical power meter; (b) calibration device of flowing-water optical power meter
表 1. 典型光功率计的优缺点
Table 1. Characteristics of typical optical power meter
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2.6 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［52-61］。光与物质相互作用产生的动力学现象比较复杂，针对激光照射反射镜这一过程来说主要包含光烧蚀、热膨胀和辐射压效应。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，Williams等［62］提出了一种基于光致动力学进行光功率测量的方法，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［63-67］。如
图 7. 典型光致动力学光功率测量装置。(a)悬挂式测量结构[66]；(b)磁悬浮结构的测量装置以及校准装置示意图[64]；(c)由电容传感器集成的弹簧平衡式结构[63]
Fig. 7. Typical diagrams of optical power measuring system by optodynamics. (a) Diagram of hanging measuring system[66]; (b) diagram of measuring system and calibration of maglev structure[64]; (c) spring structure integrated with capacitance sensor[63]
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［68-71］。这种方法是基于传统热电堆型激光功率计改进而来。
3 激光功率测量的典型应用
3.1 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50 km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。光功率计在光纤通信中的应用见
图 9. 激光功率计在光纤通信中的应用
Fig. 9. Application of laser power meter in optical fiber communication
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。
3.2 激光加工
在利用激光烧蚀现象进行激光加工的过程中，激光的功率或单脉冲能量决定了加工的结果，故激光的功率或单脉冲能量是一个必须准确测得的物理量［63］。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。
3.3 生物医疗
激光疗法指的是使用激光束对人体组织或者病变区域进行照射、切割、灼烧或破坏的一种治疗手段，常见的领域包括静脉曲张的治疗、角膜手术、视网膜脱落手术、前列腺手术、移除肾结石、切除肿瘤，以及牙周和龋齿的病变处理等，其中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，包括激光热效应杀菌、改变牙齿釉质结构和影响釉质渗透性等［72］。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。
3.4 现代**
激光由于其高亮度、单色性和方向性好等特点，在**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**等，其中很多应用都离不开激光功率计。早期的激光测距使用的是脉冲测距法，根据从被测物体反射的脉冲激光的返回时间来判断物体的距离，因此接收端激光功率计的响应时间能够直接影响测量结果的准确度。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30 km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。
3.5 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。其基本原理是一束激光打入光纤之后，在激光源的同侧接收光纤传光过程中的背向布里渊散射光，使其与参考臂中的光相互干涉（
式中Δv为自发布里渊散射光与参考光的频率差。此时探测器能探测到的信号由两束光的光功率决定。因此，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。
3.6 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。电光Q开关的消光比是一个重要的参数，其定义为
式中M为消光比，
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［66］、测量微波的频率［75］、测量皮秒脉冲激光的脉冲宽度［76］，以及进行引力波测量仪的校准［66］。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［77-105］。
4 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。针对不同类型的激光功率计有不同的侧重，如：对流水式等大功率激光测量方案，功率测量值的上限最为关键；对常常适用于微弱光信号测量和脉冲能量测量的热释电型功率计来说，功率测量的灵敏度和响应时间更加重要。随着激光功率检测技术的发展，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［106-107］。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［108］。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［109］。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［110-113］。
综合上述分析可知，高精度光功率测量目前面临的主要挑战如下：
1） 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；
2） 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；
3） 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；
4） 基于热效应的光功率计需要溯源到更高精度的功率计。
5 结论与展望
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。
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