光的基本定義

電磁波從γ射線到無線電波，光隻是其中很小的一部分，而我們能測量的激光范圍從深紫外一直到上百微米，甚至進入THz波段。

電磁波譜和激光測量范圍

光也可被看作粒子，即沒有質量或電荷但有能量的光子。它以某個頻率振蕩並以光速傳播，波長等於傳播速度除以頻率。在激光測量中，波長主要以納米或微米為單位。光譜學使用以cm⁻¹表示的波數。通信網絡使用以THz表示的頻率，隻用一個簡單的數字就能表示載波頻率和信道間隔。在量子物理中，以eV表示的光子能量則是重要的參數，它等於普朗克常數和光子頻率之積。每個光子都攜帶瞭能量：波長越小，頻率和能量越大。

不知為何表格顯示不完全，截圖之

光的測量有兩門分支。輻射度學考慮整個光譜范圍，沒有加權，測量以W表示輻射通量或以W/m²表示的輻照度。這些單位也用於激光測量中。光度學和人類視覺有關，測量以lm表示的光通量和以lx表示的光照度。

功率或能量計組成

測量功率或能量需要探頭和表頭的組合。在激光測量過程中，探頭首先將光子轉化為電子，然後來自探頭的信號通過表頭電路進行數字化和處理，最後通過顯示屏或計算機GUI展示測量結果。以下重點介紹探頭。

edfd92fd836ee90ab67bc930c907d9de功率測量過程

光電二極管功率探頭

光電二極管分為p層、耗盡層和n層。當光子打到耗盡層時，電子和空穴被激發並流向相應的區域而產生電流。

光電二極管原理示意圖

響應度是光電二極管的重要性能指標。它等於光電流和入射功率之比，計算時要考慮所有入射光子，也就是和外部量子效率(EQE)相關。而外部量子效率等於產生的電子數與入射光子數之比。

R_λ =frac{I_λ}{P_λ} approx frac{EQE_λtimesλ}{1240 W times frac{nm}{A}} \

為瞭測量更高的功率水平，入射光束必須衰減，一般采用中性密度濾光片或積分球實現。

反射式濾光片用熔融石英制作，透射范圍可達紫外。當光束通過濾光片時，入射面由於漫射而擴大光束。背面是通過金屬沉積制作的濾光層。反射式濾光片具有相對平坦的光譜透過率。

反射式中性密度濾光片

吸收式濾光片使用吸收玻璃制作。優勢是沒有幹涉或偏振影響，比反射式更適合紅外波長。劣勢是透過率曲線沒有反射式的平坦，而且還有菲涅爾反射和溫度相關性。吸收式濾光片會受熱膨脹而變厚，使衰減變大。雖然很小，但這也可能影響測量結果。

9ffc12c79a716a1d699371c24b20e32f吸收式中性密度濾光片

積分球內表面塗有漫反射材料，包括用於UV到IR范圍的燒結聚四氟乙烯和用於NIR到FIR范圍的金膜。入射光由於多次反射而均勻分佈在內表面，而一小部分光由探測端口輸出用於測量。

積分球

熱敏和能量探頭

熱敏和能量探頭多一個步驟，光能首先轉化為熱能，然後通過熱流產生電能進行測量。

熱敏探頭通過熱電效應測量電壓。這是因為金屬或合金一端變熱時會朝冷端釋放電子。這種熱電效應叫做Seebeck效應，隨金屬不同而不同。以單片金屬中很難測量熱電效應，但不同金屬參考鉑測量後進行串聯能構造熱電偶，連接點變熱時能產生電壓。

在下圖中，鐵比鉑產生的電子少，鎳比鉑產生的電子多。鐵和鎳的結點受熱時，如果兩個冷結點處於相同溫度水平，這樣就能得到V/K測量值。串聯多個熱電偶可構造熱敏探頭，下面展示兩種常見的配置，將電壓提高到可測量的水平。

熱電偶工作原理徑向配置軸向配置

熱敏探頭具有指數函數響應，就像充電電容。關鍵參數是表示響應速度的時間常數，等於達到最終值63%所用的時間。通過實踐常數還可預測結果，在電壓穩定之前顯示功率值。

能量探頭利用熱釋電將熱能轉換為電能。它在兩個電極之間有一塊熱釋電晶體，其中包含隨機極化的偶極子。在恒定溫度下，偶極子處於自發極化狀態。當光脈沖打到有源區時，偶極子在熱流通過時改變極化並吸收或釋放電子。因此，這是一個充電和放電的過程。熱釋電探頭隻能測量脈沖光，最大可探測重頻是幾十kHz。

583d5013fb2623e94c4226e6fa9608dd熱釋電效應

熱敏和能量探頭需要使用吸收模收集熱能。黑膜從UV到THz提供平坦的吸收曲線，陶瓷膜是更耐用的選項，而金屬膜能滿足一些高速要求。這些探頭要求足夠的熱量管理，可以使用對流、水冷或風扇冷卻，在有源區和散熱器之間保持一定的溫度梯度。

不同探頭類型的適用性

最佳測量實踐

主要設置

連接探頭和表頭後需要完成幾個初始設置才能開始測量。首先和最重要的是光譜校正。單波長激光隻要在表頭中輸入正確的波長，表頭就能從探頭中讀取響應曲線。寬帶光源更為復雜，需要利用光源光譜和探頭響應度計算有效波長，比如將光譜導入表頭中。

第二是歸零設置，特別是不在黑暗環境下操作的時候。當環境光變化時，歸零設置沒有幫助，這時最好要隔離環境光。歸零對於熱敏探頭測量低功率時尤為重要，這是因為探頭可能由於環境溫度出現偏差。

第三是范圍設置。測量連續光功率可保持自動，但監測模擬輸出或測量脈沖信號時建議使用手動范圍。通過表頭上的進度條判斷飽和。

第四是適用於光電二極管輸入的帶寬調節。有噪聲的讀數可通過16 Hz低通濾波器進行平滑。

PM400前面板主要特性

入射角和發散角

為瞭得到可靠的測量結果，光束入射角要小於3度，而且不能因為發散光束過度充滿探頭有源區域，否則測量結果都將偏低。需要註意的是，衰減濾光片也會擴大光束。不過通過積分球測量就相對不受入射角和發散影響，因為它們能接收很寬的角度和發散的光束。

正確的測量方式

下圖概括瞭不同探頭和入射角的相關性。熱敏探頭幾乎不受入射角影響。第二是積分球，它們能在±40度的范圍內使用。光電二極管不加濾光片能用於±20度的范圍，但光電二極管的保護玻璃窗口也會減小入射角范圍。光電二極管加濾光片則隻能在±5度范圍內使用。

探頭的角度相關性

顯微鏡功率測量

由於物鏡的高NA，這裡的光束比較發散，而積分球或標準熱敏探頭因為空間限制不方便使用。下圖的右邊使用帶中性密度濾光片的標準探頭測量，由於界面折射會進一步擴大光束，讓更少的光打到探頭的有源表面。

物鏡功率的測量方式對比，左邊是更好的方法

這個問題如何解決呢？首先是增大有源區域，其次是用折射率和中性密度濾光片相同的透明凝膠填充空氣間隙。而且，因為使用時浸沒液體，所以探頭表面還必須很好清潔。所以我們開發瞭S170C探頭，其外形和標準載玻片相同。

脈沖和調制信號測量

在測量交流信號時，第一個建議是關閉自動范圍，選擇比預期峰值功率更高的測量范圍。通過模擬輸出可判斷選擇的測量范圍是否可行(較低頻率可能隻要看表頭的進度條)，這時要改為高帶寬設置。如果無法讀到測量結果，可使用低帶寬。

檢查模擬輸出

在下面兩個正弦和方波的測量示例中，采樣點都在正弦波形，或者均勻分佈在方波的頂部和底部，兩種情況都能得到可靠的平均功率。在功率不穩定的條件下可采用濾波，短通能使得信號非常平坦，使采樣點幾乎處於同一水平，這樣也能得到更準確的平均功率測量結果。

斬波器正弦信號的平均功率測量50%占空比方波信號的平均功率測量

但是，在低占空比下，捕獲脈沖峰的概率降低，測量值偏低，下面1%占空比的測量示例就說明瞭這一點。解決這個問題的方法是提高采樣速度，而我們最新的PM103系列功率計表頭就能做到。它的采樣速度可達100 kS/s，因此能分辨20 µs脈沖。它還有和示波器一樣的顯示界面，可計算脈沖能量，也能直接計算峰值功率，以此優化測量范圍。

PM103系列表頭

對於短脈沖，平均功率仍能使用熱敏探頭或積分球測量，但熱釋電能量探頭是直接測量脈沖能量的最佳選擇。測量之前應估算預期脈沖，根據重頻和損傷閾值選擇正確的探頭。能量測量隻能使用手動范圍，因此要根據預測能量設置測量范圍，將觸發水平設為預測能量的50%，這樣探頭將直接給出每個脈沖的能量值讀數。熱敏探頭隻能測量單發脈沖能量，脈寬要遠小於探頭的時間常數，這樣對功率響應進行積分可算出脈沖能量。

脈沖和調制信號的基本選型參考

輻照度測量

輻照度(W/cm²)是單位面積的功率。這種測量可見於表征太陽能面板、紫外固化或生物傳感。輻照度測量最簡單的方法是過度充滿標準功率探頭，使光均勻分佈，表頭將自動根據孔徑計算輻照度。如果光源的均勻性無法保證時，可在探頭前面加一個均勻分佈的確定孔徑。

應用：測量樣品平面的輻照度

在測量已知直徑和分佈的激光的輻照度或功率密度時，光束必須小於有源區域，隻要輸入光束形狀和類型就能得到輻照度的數值。需要註意的是，非均勻高斯光束相比均勻平頂光束有一個兩倍因子。

光束位置測量

以熱敏探頭為例。熱敏元件被分為四個獨立的象限，當激光打到探頭時，熱流將通過四個象限耗散，由此得到四個電壓，據此算出位置。它的主要應用包括紅外激光對準。

探頭、表頭和測量示意圖Thorlabs功率/能量探頭和表頭