测量强大的激光输出需要强有力的工具

shuszhao · 发表于 2018-10-17 08:56:46

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采用标准测热法的激光功率单元可以测量高达500千瓦的功率，新的辐射压力功率计(RPPM)也可以达到同等水平。它按照现有的测热法标准进行了测试和校准，可测量20千瓦功率，达到了一个相当高的水平，而且其测量结果的准确度也很高，约为3％。
工程师通常需要测量功率，这一参数可能有多种形式：直流或低频、有线或无线RF，或者光功率。此外，要测量的功率的动态范围可能跨度很大，从飞瓦（femtowatt）到千瓦都常见。在非常低或非常高的极端情况下，无论测量方法还是测量结果的准确性都面临很大的挑战。

在某些方面，微小水平的光功率测量是最困难的。原因是光子不容易被捕获或测量，通过评估其波长和数量来获得功率的过程极其困难，因为几乎任何干扰都会导致测量变化。（这就是为什么单光子探测器在测试和测量领域是一个特别吸引人的研究课题。）随着光功率水平从飞瓦级别增强到纳、微、毫甚至瓦的级别，测量过程自然逐渐轻松。

但当光功率达到千瓦甚至几十千瓦时，会发生什么？达到这样功率水平的激光器目前用于工业焊接（有些长距离激光“射线枪”也在开发中）。焊接系统需要知道激光功率具有相当好的精度，以便正确设定热分布。

测量更高激光功率水平的标准方法是通过校准热传感器测热法，将光功率转换为热量并测量产生的温升。这种温度上升可以被建模，并与功率水平进行关联。在制造过程中，这种方法虽然准确但是不切实际。此外，热电堆传感器必须冷却，不然很强的激光功率会烧毁传感器。

鉴于此，NIST与Scientech公司合作开发出一种吸引人的替代系统。该系统并不是先将激光功率转换为热量然后将其耗散，而是测量激光无质量光子的力（辐射压力），因为激光会照射在一组强反射镜片上（如图1）。镜面上有涂覆层，可以反射99.9％的入射光，因此其自身的发热是可控的。

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图1：能反射何须散热？这种方法不是测量温度上升，而是测量强反射镜面入射光束产生的辐射压力。（图片来源：NIST）

新系统具有一些有趣的特性：

● 对激光束无破坏性；
● 可以实时工作，实际上可以作为激光焊接系统的一部分，用来监控焊接中的功率水平；
● 虽然极低功率水平下不能很好地工作，但随着激光功率和辐射压力的增加，系统会变得更好（更准确）；
● 它很简单，至少在原理上如此（现实中处理千瓦级功率时，事情就没那么简单了），与散热相关的冷却问题也大大减少。对于10千瓦的激光束，镜子的散热也只有10瓦而已；
● 要测量的参数是压力，即使在相当低的水平下也可以准确测量， 100千瓦的激光束产生大约等同于330毫克的重量。

采用标准测热法的激光功率单元可以测量高达500千瓦的功率（哇，这是相当高的功率，特别是对于激光束），新的辐射压力功率计（RPPM）也可以达到同等水平。它按照现有的测热法标准进行了测试和校准，可测量20千瓦功率，达到了一个相当高的水平，而且其测量结果的准确度也很高，约为3％（图2）。

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图2：NIST测试方法与传统的标准测热法相比，在1~20千瓦功率范围内的测量精度约为±3％。（图片来源：激光聚焦世界）

目前这种系统的大小与大型烤箱差不多，下一步要开发基于硅MEMS电容式压力标度的RPPM，这类似于MEMS压力传感器和加速度计技术。RPPM的尺寸会越来越小，甚至可以永久安装在生产现场使用。

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