世界上第一台激光器诞生于1960,如今经过60多年的发展,激光已广泛应用于制造业和国防科研领域。激光被誉为“最快的刀、最准的尺”,而“刀”在用时的力度如何?“尺”在测量时的精度如何?这与激光功率的大小息息相关,因此需要使用激光功率计测量激光的功率大小,以确保激光应用的精度。

图1 激光功率计图片

  激光功率计是一种用来测量连续激光的功率或者脉冲激光在某一段时间内平均功率的仪器,已广泛应用于光学元件制造、激光设备制造、光伏、半导体、锂电、通信、医疗、工业制造与国防科研等领域,涵盖激光设备产业链上中下游,包括激光医美、激光打标、激光切割、激光钻孔、激光焊接、3D打印等众多行业。

图1 激光功率计部分应用领域图

什么是激光功率计:

在了解如何选择激光功率计之前,我们首先需要知道什么是激光功率计。激光功率计,就是用来测量激光光源输出功率大小的仪器。无论激光的发射源是弱光源(如荧光),还是高能量的脉冲激光;又或者测量的是连续激光的功率,还是测量脉冲激光在一段时间内的平均功率。只要需要测量发射出的激光功率,就要用到激光功率计,因此激光功率计是实验室、生产车间等多种应用环境中必不可少的测量工具。

激光功率计一般是由具有控制和示值读数功能的测量部分(表头)和传感器部分(探头)所组成的,两者结合在一起就组成一套“测量系统”。探头也可以直接通过RS-232串口或RS-485串口或USB虚拟串口直接连接PC端,进行数据的读取、统计及保存。

目前市场上应用的主要探头类型是:热电堆探头。热电堆探头的原理:激光照射到探头表面的膜层,被吸收并转化成热量,热量向热电偶传递并形成温度梯度场,热电堆内外两个节点由于温度差产生温差电动势,电动势的大小与入射光转化的热量成比例。

图2 热电堆探测器结构分解图

如何选择激光功率计:

激光功率计是由表头和探头共同组成,因此在选择激光功率计的时候,要根据自身的需求和激光的特性来选择合适的表头和探头,最终形成一套适合自身使用的激光功率计。因此,建议从以下两方面来进行选择:

1. 根据激光器的参数选择合适的探头:

(1) 功率:激光器的功率应小于探头的最大可测功率。若所测激光功率大于探头的最大可测功率,将会对探头造成不可逆的损伤。

(2) 波长:探头的可测量波长范围可覆盖激光的波长,若探头的可测量波长范围未覆盖激光的波长,测量结果会存在偏差。

(3) 光斑大小:激光形成的光斑面积要小于探头的吸收体面积,否则探头在测量激光功率时,由于部分激光未被探头吸收体吸收,会造成测量结果出现偏差。

(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头的损伤阈值,否则在测量时会对探头的吸收体造成不可逆的损伤,导致测量结果出现偏差。

2. 根据应用需求选择合适的数据显示方式:

(1) 通过表头显示数据:表头是最为常规的显数工具,可与所有探头进行组合,适用于绝大多数场景。

(2) 通过USB连接电脑传输数据:将电路集成在体积小巧的封装中,使用方便,可通过USB接口直接将其连接到PC端上,通过PC端软件来对探头进行控制及对数据进行处理,使用方便,应用场景广泛。

(3) 通过串口连接电脑传输数据:通过电脑的RS-232串口或RS-485串口或USB虚拟串口传输测量数据,主要用于集成式探头,实现激光功率的在线监测。由于集成式探头需要集成到激光设备中,因此尺寸较小,易于安装到设备上。如果搭配表头使用,占地空间大而不方便使用。

图3 不同显示方式的激光功率计图

3.根据使用环境进行选择:

一般使用功率计的地方都是生产车间、实验室或集成到设备内部。某些情况下,可能对探头的尺寸、冷却方式等有一定的要求。但探头的尺寸受散热能力影响,当探头的最大承受功率提升时,体积不可避免的需要做得更大或更换更好的冷却方式。目前功率计探头的冷却方式主要有三种:自然冷却、风扇冷却、水冷。一般在同等功率下,水冷型探头的体积最小,风扇冷却型探头次之,自然冷却型探头的体积最大。风扇冷却型探头需要接电源、水冷型探头需要接冷却水,所以不同冷却方式的探头在不同的功率段各有优势,可根据应用条件选择合适的探头。

图4 三种冷却方式的探头尺寸图(mm)

在测量需求可以满足的情况下,一般都会考虑产品的性价比。早期国内激光功率计市场基本被进口产品垄断,随着国产激光功率计的崛起,越来越多的厂商选择性价比更高的国产产品。目前可以提供从低功率到高功率以及超高功率不同量程的激光功率计的厂商并不多,除了国外的几家,国内也只有彩煌热电可以满足。目前,彩煌热电激光功率计的功率范围为100μW - 30kW;光谱范围为0.19 - 25μm,涵盖了市面上所有激光器的波长。

图4 彩煌热电30kW激光功率计图

综上所述,激光功率计的选型,可根据激光光源的参数、功率显示方式和应用场景等进行选择。此外,还可咨询功率计开发商,比如可将自身的测量需求提供给彩煌热电,彩煌热电会为您提供最优的方案。如果常规产品无法满足,彩煌热电可以提供定制化方案。