激光功率計(jì)如何選型

  世界上第一臺(tái)激光器誕生于1960，如今經(jīng)過(guò)60多年的發(fā)展，激光已廣泛應(yīng)用于制造業(yè)和國(guó)防科研領(lǐng)域。激光被譽(yù)為“最快的刀、最準(zhǔn)的尺”，而“刀”在用時(shí)的力度如何？“尺”在測(cè)量時(shí)的精度如何？這與激光功率的大小息息相關(guān)，因此需要使用激光功率計(jì)測(cè)量激光的功率大小，以確保激光應(yīng)用的精度。

圖1 激光功率計(jì)圖片

  激光功率計(jì)是一種用來(lái)測(cè)量連續(xù)激光的功率或者脈沖激光在某一段時(shí)間內(nèi)平均功率的儀器，已廣泛應(yīng)用于光學(xué)元件制造、激光設(shè)備制造、光伏、半導(dǎo)體、鋰電、通信、醫(yī)療、工業(yè)制造與國(guó)防科研等領(lǐng)域，涵蓋激光設(shè)備產(chǎn)業(yè)鏈上中下游，包括激光醫(yī)美、激光打標(biāo)、激光切割、激光鉆孔、激光焊接、3D打印等眾多行業(yè)。

圖1 激光功率計(jì)部分應(yīng)用領(lǐng)域圖

什么是激光功率計(jì)：

在了解如何選擇激光功率計(jì)之前，我們首先需要知道什么是激光功率計(jì)。激光功率計(jì)，就是用來(lái)測(cè)量激光光源輸出功率大小的儀器。無(wú)論激光的發(fā)射源是弱光源（如熒光），還是高能量的脈沖激光；又或者測(cè)量的是連續(xù)激光的功率，還是測(cè)量脈沖激光在一段時(shí)間內(nèi)的平均功率。只要需要測(cè)量發(fā)射出的激光功率，就要用到激光功率計(jì)，因此激光功率計(jì)是實(shí)驗(yàn)室、生產(chǎn)車間等多種應(yīng)用環(huán)境中必不可少的測(cè)量工具。

激光功率計(jì)一般是由具有控制和示值讀數(shù)功能的測(cè)量部分（表頭）和傳感器部分（探頭）所組成的，兩者結(jié)合在一起就組成一套“測(cè)量系統(tǒng)”。探頭也可以直接通過(guò)RS-232串口或RS-485串口或USB虛擬串口直接連接PC端，進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取、統(tǒng)計(jì)及保存。

目前市場(chǎng)上應(yīng)用的主要探頭類型是：熱電堆探頭。熱電堆探頭的原理：激光照射到探頭表面的膜層，被吸收并轉(zhuǎn)化成熱量，熱量向熱電偶傳遞并形成溫度梯度場(chǎng)，熱電堆內(nèi)外兩個(gè)節(jié)點(diǎn)由于溫度差產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)的大小與入射光轉(zhuǎn)化的熱量成比例。

圖2 熱電堆探測(cè)器結(jié)構(gòu)分解圖

如何選擇激光功率計(jì)：

激光功率計(jì)是由表頭和探頭共同組成，因此在選擇激光功率計(jì)的時(shí)候，要根據(jù)自身的需求和激光的特性來(lái)選擇合適的表頭和探頭，最終形成一套適合自身使用的激光功率計(jì)。因此，建議從以下兩方面來(lái)進(jìn)行選擇：

1. 根據(jù)激光器的參數(shù)選擇合適的探頭：

(1) 功率：激光器的功率應(yīng)小于探頭的最大可測(cè)功率。若所測(cè)激光功率大于探頭的最大可測(cè)功率，將會(huì)對(duì)探頭造成不可逆的損傷。

(2) 波長(zhǎng)：探頭的可測(cè)量波長(zhǎng)范圍可覆蓋激光的波長(zhǎng)，若探頭的可測(cè)量波長(zhǎng)范圍未覆蓋激光的波長(zhǎng)，測(cè)量結(jié)果會(huì)存在偏差。

(3) 光斑大小：激光形成的光斑面積要小于探頭的吸收體面積，否則探頭在測(cè)量激光功率時(shí)，由于部分激光未被探頭吸收體吸收，會(huì)造成測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差。

(4) 功率密度和能量密度：激光的功率密度和能量密度要小于探頭的損傷閾值，否則在測(cè)量時(shí)會(huì)對(duì)探頭的吸收體造成不可逆的損傷，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差。

2. 根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的數(shù)據(jù)顯示方式：

(1) 通過(guò)表頭顯示數(shù)據(jù)：表頭是最為常規(guī)的顯數(shù)工具，可與所有探頭進(jìn)行組合，適用于絕大多數(shù)場(chǎng)景。

(2) 通過(guò)USB連接電腦傳輸數(shù)據(jù)：將電路集成在體積小巧的封裝中，使用方便，可通過(guò)USB接口直接將其連接到PC端上，通過(guò)PC端軟件來(lái)對(duì)探頭進(jìn)行控制及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使用方便，應(yīng)用場(chǎng)景廣泛。

(3) 通過(guò)串口連接電腦傳輸數(shù)據(jù)：通過(guò)電腦的RS-232串口或RS-485串口或USB虛擬串口傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)，主要用于集成式探頭，實(shí)現(xiàn)激光功率的在線監(jiān)測(cè)。由于集成式探頭需要集成到激光設(shè)備中，因此尺寸較小，易于安裝到設(shè)備上。如果搭配表頭使用，占地空間大而不方便使用。

圖3 不同顯示方式的激光功率計(jì)圖

3.根據(jù)使用環(huán)境進(jìn)行選擇：

一般使用功率計(jì)的地方都是生產(chǎn)車間、實(shí)驗(yàn)室或集成到設(shè)備內(nèi)部。某些情況下，可能對(duì)探頭的尺寸、冷卻方式等有一定的要求。但探頭的尺寸受散熱能力影響，當(dāng)探頭的最大承受功率提升時(shí)，體積不可避免的需要做得更大或更換更好的冷卻方式。目前功率計(jì)探頭的冷卻方式主要有三種：自然冷卻、風(fēng)扇冷卻、水冷。一般在同等功率下，水冷型探頭的體積最小，風(fēng)扇冷卻型探頭次之，自然冷卻型探頭的體積最大。風(fēng)扇冷卻型探頭需要接電源、水冷型探頭需要接冷卻水，所以不同冷卻方式的探頭在不同的功率段各有優(yōu)勢(shì)，可根據(jù)應(yīng)用條件選擇合適的探頭。

圖4 三種冷卻方式的探頭尺寸圖（mm）

在測(cè)量需求可以滿足的情況下，一般都會(huì)考慮產(chǎn)品的性價(jià)比。早期國(guó)內(nèi)激光功率計(jì)市場(chǎng)基本被進(jìn)口產(chǎn)品壟斷，隨著國(guó)產(chǎn)激光功率計(jì)的崛起，越來(lái)越多的廠商選擇性價(jià)比更高的國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品。目前可以提供從低功率到高功率以及超高功率不同量程的激光功率計(jì)的廠商并不多，除了國(guó)外的幾家，國(guó)內(nèi)也只有彩煌熱電可以滿足。目前，彩煌熱電激光功率計(jì)的功率范圍為100μW - 30kW；光譜范圍為0.19 - 25μm，涵蓋了市面上所有激光器的波長(zhǎng)。

圖4 彩煌熱電30kW激光功率計(jì)圖

綜上所述，激光功率計(jì)的選型，可根據(jù)激光光源的參數(shù)、功率顯示方式和應(yīng)用場(chǎng)景等進(jìn)行選擇。此外，還可咨詢功率計(jì)開(kāi)發(fā)商，比如可將自身的測(cè)量需求提供給彩煌熱電，彩煌熱電會(huì)為您提供最優(yōu)的方案。如果常規(guī)產(chǎn)品無(wú)法滿足，彩煌熱電可以提供定制化方案。