工程師通常需要量測功率,這一參數可能有多種形式:直流或低頻、有線或無線RF,或者光功率。此外,要量測的功率的動態範圍可能跨度很大,從毫微微瓦(femtowatt)到千瓦(kilowatt)都常見,在非常低或非常高的極端情況下,無論量測方法還是量測結果的準確性都面臨很大的挑戰。

在某些方面,微小的光功率量測是最困難的;原因是光子(photon)不容易被擷取或量測,透過評估其波長和數量來獲得功率數字的過程極其困難,因為幾乎任何干擾都會帶來變化(這就是為什麼單光子探測器在測試和量測領域是一個特別吸引人的研究課題);隨著光功率水準從毫微微瓦等級增強到奈瓦(nanowatt)、微瓦(microwatt)、毫瓦(milliwatt)或者1瓦以上,量測過程也會容易得多。

但若是光功率達到千瓦甚至幾十千瓦呢?達到如此功率等級的雷射器目前用於工業焊接(welding);也有以長距離雷射為基礎的雷射光槍(ray gun)正在開發中。焊接系統需要以相當高的精準度來了解雷射功率,才能仔細繪製溫度曲線。

量測更高雷射功率水準的標準方法,是藉由經校準的溫度感測器進行熱量測定,將光功率轉換為熱量並量測產生的溫升。這種溫度上升可以建立模型,並與功率水準關聯。在不間斷的製造過程中,這種方法雖然準確但是不切實際。此外,熱電堆(thermopile)感測器必須冷卻,否則強烈的雷射功率會燒毀感測器。

有鑑於此,美國國家標準與技術中心(NIST)與美國業者Scientech合作開發出一種吸引人的替代方案;該系統並不是先將雷射功率轉換為熱量然後將其耗散,而是量測雷射無質量(massless)光子的力度——也就是輻射壓(radiation pressure),因為雷射會照射在一片高度反射鏡片上(如圖1),鏡面經過塗佈,可以反射99.9%的入射光,因此其自發熱(self-heating)是可控的。

20181015NT31P1 圖1 能反射何須散熱?這種方法不是要量測溫升,而是量測高度反射鏡片上入射光束產生的輻射壓。(圖片來源:NIST)

新系統具備一些有趣的特性:

˙對雷射光束無破壞性;

˙它可以即時運作,實際上可以作為雷射焊接系統的一部分,用來監控焊接過程中的功率水準;

˙雖然在極低功率水準下無法良好運作,但隨著雷射功率和輻射壓的增加會變得更好(更準確);

˙它很簡單,至少在原理上如此(在現實中,處理千瓦等級功率可不是簡單的事情),與散熱相關的冷卻問題也大大減少。對於10kW的光束,鏡片的散熱只有10W;

˙要量測的參數是力度,因此在相當低的水準下也可以準確量測,精確度也高;100kW的雷射光束產生約當330毫克(milligrams)重量。

採用標準熱量測定法的雷射功率單元可以量測高達500kW功率(這真是相當高的功率,特別是對雷射光束來說),上述的新型輻射壓功率計(RPPM)也可以達到同樣水準,它按照現有的熱量測定法標準進行了測試和校準,可量測20kW功率,是相當高的水準,而且其量測結果的準確度也很高,精度約為3% (如圖2)。

20181015NT31P2 圖2 NIST測試方法與傳統的標準測熱法相比,在1~20kW功率範圍內的量測精度約為±3%。(圖片來源:Laser Focus World)

目前這種系統的大小與大型烤箱差不多,下一步要開發基於矽晶MEMS電容式壓力計(capacitive-force scale)的RPPM,類似MEMS壓力感測器和加速度計技術;未來RPPM的尺寸會越來越小,甚至可以永久安裝生產現場使用。你是否有光功率量測的經驗?曾經開發新方法和儀器嗎?又是如何驗證其性能?歡迎分享你的看法!

(參考原文: Measuring powerful laser output takes a forceful approach ,by Bill Schweber)