王成 杜根 熊利能 許飏 程玉 羅雨祥 毛世峰 王林毅 周毅剛 項(xiàng)華中 鄭剛

摘要：隨著激光應(yīng)用領(lǐng)域的快速拓展，超高峰值功率、超窄脈寬逐漸成為未來(lái)激光行業(yè)的重點(diǎn)研究方向之一，這種激光的超高電場(chǎng)能量給高精度的激光功率測(cè)量提出了挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的激光功率測(cè)量方法，如光電法、熱釋電法、量熱法等逐漸顯露出不適用于上述激光功率測(cè)量的缺點(diǎn)，此外上述方法都難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、在線測(cè)量。為了克服以上困難，需要一種新型激光功率測(cè)量原理與方法。以美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院為代表的機(jī)構(gòu)提出了一種光輻射壓力測(cè)量法，該方法使激光作用在高反射率的反射鏡上，激光動(dòng)量形成了光輻射壓力，這個(gè)力可以采用多種力學(xué)傳感方式進(jìn)行計(jì)量。該方法不但能實(shí)現(xiàn)激光功率快速、準(zhǔn)確測(cè)量，而且不影響激光能量傳輸，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、在線的激光功率測(cè)量。系統(tǒng)回顧了國(guó)內(nèi)外通過(guò)光輻射壓力測(cè)量激光功率的基本原理和系統(tǒng)組成，光輻射壓力測(cè)量激光功率的研究現(xiàn)狀，并對(duì)該方法的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：光輻射壓力；超高峰值功率；超窄脈寬；激光功率；測(cè)量不確定度

中圖分類號(hào)：O 436 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Laser power measurement technology based on?light radiation pressure

WANG Cheng1，2，DU Gen1，2，XIONG Lineng1，2，XU Yang1，CHENG Yu1，LUO Yuxiang1， MAO Shifeng1，WANG Linyi1，ZHOU Yigang1，XIANG Huazhong1，2，ZHENG Gang1

（1. Institute of Biomedical Optics and Optometry， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China;

2. Key Laboratory of Medical Optical Technology and Instruments of Ministry of Education， University of Shanghai for?Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： With the rapid expansion of laser application fields， the laser with ultra-high peak power and ultra-narrow pulse width has gradually become one of the important research directions of the laser fields in the future. These laser with ultra-high electric field energy posed a challenge for high precision laser power measurement. And the traditional methods of laser power measurement， such as photoelectric method， pyroelectric method and calorimetry etc.， have gradually revealed the disadvantages that they are not suitable for the abovementioned laser. Besides， these traditional methods are difficult to achieve real-time online measurement. In order to overcome these difficulties， a new method of laser power measurement is needed. Therefore， a method of light radiation pressure for laser power measurement is proposed by the organization represented by the National Institute of Standards and Technology. This method makes the laser incident on the mirror with high reflectivity， and the momentum of laser photon converts into light radiation pressure on the mirror， and the light radiation pressure can be measured by a variety of mechanical sensing modalities. It can not only achieve rapid and accurate measurement of laser power， but also have no influence on laser transmission. Besides real-time online laser power measurement is also possible. In this paper， the basic principle， the system， and the research status of laser power measurement using optical radiation pressure method at domestic and foreign were reviewed systematically. The future developments of this method were discussed in detail.

Keywords： light radiation pressure； ultra-high peak laser power； ultra-narrow pulse width； laser power；measurement uncertainty

引 言

激光是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的一種新型光源，自問(wèn)世以來(lái)便得到飛速發(fā)展[1]。目前激光技術(shù)作為工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域的核心驅(qū)動(dòng)力量之一，其自身也隨著相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展而不斷向前發(fā)展，總的來(lái)說(shuō)，激光技術(shù)正在向著“超高、超快、更好、更短”4個(gè)方向繼續(xù)發(fā)展。超高，即激光器的功率越來(lái)越高；超快，即激光器的脈沖寬度越來(lái)越窄；更好，即激光器所輸出的光束質(zhì)量越來(lái)越好；更短，即激光器的輸出波長(zhǎng)可覆蓋更短的波段。在醫(yī)療領(lǐng)域中，激光的應(yīng)用主要分為強(qiáng)激光治療、光動(dòng)力治療（ photodynamic therapy， PDT）及弱激光治療（ low-level laser therapy， LLLT）3大類[2]。其中，由于飛秒、皮秒等超短脈沖技術(shù)的成熟，強(qiáng)激光治療成為了這其中最熱門(mén)的應(yīng)用，主要用于眼科、皮膚科、口腔科、耳鼻喉科等科室，其中在眼科的應(yīng)用發(fā)展最為熱門(mén)。全飛秒激光小切口微透鏡取出術(shù)在國(guó)內(nèi)每年就有幾十萬(wàn)例。因此，根據(jù)臨床治療的需求變化，醫(yī)用飛秒激光器等超短脈沖技術(shù)已形成較大的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。

激光功率/能量及其輸出的穩(wěn)定性是激光的重要量化指標(biāo)，是評(píng)判激光器優(yōu)劣的基礎(chǔ)且重要的參數(shù)之一。目前常用的激光功率測(cè)量技術(shù)主要有光電法、熱釋電法、量熱法及光輻射力法等[3]。傳統(tǒng)的激光功率測(cè)量法基本是吸收式測(cè)量，即光子必須被吸收才能被測(cè)量，這就意味著在特定應(yīng)用場(chǎng)景中的激光功率無(wú)法被精確測(cè)量，因?yàn)榧す獾臏y(cè)量與其應(yīng)用操作不能同步完成。也可使用分光片分部分能量的光來(lái)測(cè)量以解決上述問(wèn)題，經(jīng)過(guò)分束器的激光大部分用于預(yù)定用途，小部分用于功率測(cè)量，通過(guò)分束比例就可以計(jì)算出預(yù)定用途的功率大小[4]。在常規(guī)激光功率或能量測(cè)量中[5]，光電法基于光電效應(yīng)，即吸收光子能量轉(zhuǎn)換為電子，通過(guò)對(duì)每個(gè)光脈沖積分來(lái)獲取每個(gè)脈沖能量，這樣能實(shí)現(xiàn)對(duì)低功率脈沖激光的精確測(cè)量，但不能用于測(cè)量高功率激光。熱釋電法是通過(guò)吸收材料將能量轉(zhuǎn)換為溫升，溫度的改變使材料的兩端出現(xiàn)電壓或產(chǎn)生電流，通過(guò)測(cè)量晶體的溫度變化換算得到光功率。量熱法是利用激光的熱效應(yīng)結(jié)合金屬的熱電效應(yīng)，讀出探測(cè)器的兩端電壓就可以計(jì)算光功率。對(duì)于高功率激光，光電法限于探測(cè)器光能的承受能力，無(wú)法進(jìn)行高功率的測(cè)量，并且容易受干擾，光譜響應(yīng)不平坦；熱釋電法適用于低功率激光的幀頻采集，使用要求較嚴(yán)格，不適用于連續(xù)激光；量熱法的功率測(cè)量范圍受其體積大小限制，且響應(yīng)速度較慢，不能實(shí)現(xiàn)在線、實(shí)時(shí)測(cè)量；光束取樣法雖然有體積小的優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)取樣比的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性要求極高，而且其測(cè)量準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性都不如量熱法。光輻射壓力法是基于激光動(dòng)量與激光功率的關(guān)系來(lái)測(cè)量的，這種方法的一個(gè)最大的優(yōu)勢(shì)在于不以吸收激光的能量來(lái)進(jìn)行功率測(cè)量，這樣就可實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。因此，光輻射壓力法是測(cè)量超高功率、超短脈沖激光的最優(yōu)選擇之一。本文系統(tǒng)地回顧了光輻射壓力法基本原理，測(cè)量系統(tǒng)的組成和當(dāng)前的研究進(jìn)展，通過(guò)這些總結(jié)指明其未來(lái)可能的發(fā)展方向。

1 光輻射壓力測(cè)量原理

1871年，Maxwell[6]推論出電磁輻射會(huì)對(duì)暴露在其中的物體表面施加壓力。1873年， Crookes[7]偶然發(fā)明了一種特殊的輻射計(jì)，其主體部分是一個(gè)部分真空的氣密玻璃燈泡，內(nèi)部有4個(gè)金屬葉片，當(dāng)光線照射時(shí)葉片會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，光線越強(qiáng)轉(zhuǎn)動(dòng)越快，這種方法能進(jìn)行簡(jiǎn)單的輻射壓力強(qiáng)度測(cè)量。之后，尼克拉斯和赫爾通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了光輻射壓力的存在。傳統(tǒng)的吸收式測(cè)量方法在測(cè)量低功率（低能量）激光時(shí)，有著不錯(cuò)的測(cè)量精度，但是其測(cè)量范圍受到吸收介質(zhì)大小的限制，也就是吸收介質(zhì)越大，測(cè)量范圍也就越大。吸收介質(zhì)大意味著響應(yīng)時(shí)間更長(zhǎng)，這樣就無(wú)法滿足連續(xù)測(cè)量的要求。由于儀器體積過(guò)大，測(cè)量也會(huì)受到測(cè)量環(huán)境的限制。光輻射壓力法相比于傳統(tǒng)測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)在于，它能在幾乎不吸收激光的前提下完成對(duì)激光功率的測(cè)量，為激光應(yīng)用過(guò)程中的在線、實(shí)時(shí)測(cè)量提供了解決方案。隨著高精度干涉儀和壓電陶瓷傳感器等高精度位移傳感器的成功研發(fā)，有關(guān)光致激發(fā)微小力的研究逐漸走向應(yīng)用，而有關(guān)輻射壓力的研究也不再只局限于理論[8-14]。

光輻射壓力法主要是利用光子量子化特性和動(dòng)量守恒定律。由于光子攜帶動(dòng)量，當(dāng)激光入射到反射鏡時(shí)，光子攜帶的動(dòng)量會(huì)給反射鏡施加一個(gè)壓力，這個(gè)壓力即為光輻射力。壓力大小 F 與動(dòng)量 p 成正比，即與單位時(shí)間內(nèi)入射光子的數(shù)量成正比，也即與光功率成正比。如果入射脈沖激光的能量為 E，光速為 c ，那么其產(chǎn)生的動(dòng)量為 p=E/c，根據(jù)動(dòng)量定理，當(dāng)正入射的動(dòng)量為 p 的光子被物體完全反射時(shí)，會(huì)產(chǎn)生2p 的動(dòng)量作用在物體上。因此，當(dāng)激光在反射鏡上完成反射時(shí)，反射鏡上產(chǎn)生的動(dòng)量為2p。所以光輻射壓力 F 可寫(xiě)為

F =2 dp dE 2p

式中： p為光子動(dòng)量； c 為光速。當(dāng)激光以θ角入射到反射率為 r 的反射鏡上時(shí)，由力的合成與分解原理可得

F = rcos （θ） ??（2）

式中： r 為反射鏡的反射率；θ為激光入射角。由式（2）可以推出激光功率 P 的計(jì)算式為

P = dE cdp cF ??（3）

由式（3）可知，激光功率的計(jì)算受到 c 、F、r 及θ4個(gè)參數(shù)的影響。對(duì)于 c ，主要考慮在不同介質(zhì)中傳播的影響，因此實(shí)驗(yàn)時(shí)通常要求環(huán)境為真空。對(duì)于?r ，有?r=R+（1?R）α/2，說(shuō)明在散射效應(yīng)或吸收效應(yīng)影響下，被反射鏡吸收的光子會(huì)向鏡子傳遞其全部動(dòng)量，而被反射的光子會(huì)傳遞其2倍動(dòng)量給反射鏡。α是被吸收的光子數(shù)與總光子數(shù)的比值，R 是反射率，當(dāng)忽略散射或吸收效應(yīng)（即全反射）時(shí)，可認(rèn)為 r=R ，即 r 為理想狀態(tài)下鏡子反射率。實(shí)驗(yàn)時(shí)盡量選取高反射率的反射鏡來(lái)降低散射效應(yīng)或吸收效應(yīng)。θ是激光入射角，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)前的校準(zhǔn)來(lái)減小其引起的誤差。F 是光輻射壓力，主要通過(guò)位移傳感器等元件測(cè)量由輻射力引起的測(cè)量元件的位移量，通過(guò)位移量計(jì)算得出。F 主要受測(cè)量元件的精度影響。綜上所述， F 是主要影響激光功率不確定度的因子。因此，為了降低激光功率測(cè)量的不確定度，光輻射壓力 F 的測(cè)量成為了研究重點(diǎn)。

2 基于光輻射壓力的功率測(cè)量方法

2.1 扭轉(zhuǎn)式輻射壓力測(cè)量

為了實(shí)現(xiàn)光輻射壓力的測(cè)量， Stimler 等[15]提出了一種測(cè)量光子動(dòng)量的方法（如圖1所示），激光脈沖通過(guò)濾光片和準(zhǔn)直器、分束器后進(jìn)入真空室，穿過(guò)2個(gè)反射鏡片后，射出真空室。脈沖穿過(guò)反射鏡時(shí)，鏡子會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，通過(guò)光源和刻度尺可以讀出反射鏡的偏移角的變化值。該裝置原理是將光束的光子動(dòng)量轉(zhuǎn)換為葉片的偏轉(zhuǎn)角，將偏轉(zhuǎn)變化值轉(zhuǎn)換就可以得到激光脈沖能量值，該裝置的靈敏度為（2.55±0.04）cm/J。這種扭擺式功率計(jì)擺脫了傳統(tǒng)吸收式測(cè)量的不足，但這種設(shè)計(jì)在測(cè)量時(shí)十分不方便，實(shí)用性很差，很難取代當(dāng)時(shí)普及適用的測(cè)量方法。

因此 Yuan 等[16]在此基礎(chǔ)上提出了一種新的方法，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，C 為真空腔，W1和 W2為入射和出射窗口，激光從反射鏡 M1進(jìn)入由線圈 L、磁鋼和磁軛 B 及系統(tǒng)框架 F 組成的測(cè)量系統(tǒng)后，經(jīng)另一個(gè)反射鏡 M2射出。激光輻射壓力驅(qū)動(dòng)線圈，將測(cè)得的角速度轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而可以測(cè)得激光束的能量。儀器的測(cè)量不確定度為3%，靈敏度為18.5?V/J。

上述方法首次提出了測(cè)量光子動(dòng)量的概念，分別將光子動(dòng)量轉(zhuǎn)化為鐘擺式偏轉(zhuǎn)并通過(guò)線圈轉(zhuǎn)化為感生電動(dòng)勢(shì)來(lái)進(jìn)行測(cè)量。但該測(cè)量法仍存在時(shí)間響應(yīng)緩慢，振蕩周期長(zhǎng)，操作環(huán)境要求嚴(yán)格，測(cè)量結(jié)果不可追溯，實(shí)用性差等缺點(diǎn)，從而會(huì)降低測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.2 電容式輻射壓力測(cè)量

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（national instituteof standards and technology， NIST）的 Ryger 等[17]提出了一種基于雙彈簧機(jī)械結(jié)構(gòu)的激光輻射功率計(jì)。將2個(gè)相同的彈簧串聯(lián)使用，這樣的結(jié)構(gòu)能夠減弱環(huán)境振動(dòng)信號(hào)以及由傳感器傾斜變化引起的誤差，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。經(jīng)過(guò)硅微加工得到的彈簧能有效地縮小傳感器的總體尺寸及慣性質(zhì)量，因此能有效地提高測(cè)量系統(tǒng)的靈敏度和響應(yīng)速度。入射激光在鏡面鍍膜硅盤(pán) b 上產(chǎn)生輻射壓力，將反射鏡推向另一片結(jié)構(gòu)，極板間距減小，會(huì)導(dǎo)致電容的變化，為了使彈簧回到初始位置，極板間的靜電力會(huì)減小。通過(guò)光學(xué)干涉法測(cè)量雙彈簧結(jié)構(gòu)中高反射鏡的位移值，計(jì)算可得到激光的功率為

Δh = cos （θ）

式中：Δh 為板間間距； P 為激光功率； c 為光速；k 為彈簧的彈性系數(shù)；θ為激光在反射鏡上的入射角。

在上述雙彈簧輻射壓力傳感器的基礎(chǔ)上， Artusio-Glimpse 等[18]使用外部干涉儀來(lái)代替內(nèi)部的電容傳感結(jié)構(gòu)，提出了一款輻射壓力功率計(jì)——“智能鏡子”，其優(yōu)點(diǎn)是干涉測(cè)量不受硅彎曲的光導(dǎo)所引起的電容器邊緣的光誘導(dǎo)變化的影響，也不需要在精密元件上涂覆金屬薄膜。儀器使用雙彈簧晶體硅彎曲設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中，前端芯片是高反射鏡，后端芯片是參考基準(zhǔn)，用于消除干擾。通過(guò)高精度干涉儀測(cè)量前端芯片位移及后端芯片上±4 mm 2個(gè)偏心點(diǎn)的位移值，位移值與偏心點(diǎn)位移平均之差就是板間間距Δh。激光照射在前端芯片，會(huì)在芯片上產(chǎn)生一個(gè)輻射壓力作用到彈簧上，當(dāng)彈簧的恢復(fù)力與輻射力平衡時(shí)，就達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)的平衡方程為

式中： k 為彈性系數(shù)； P 為激光功率； c 為光速；R （θ）為反射率系數(shù)； cos2（Φ/2）是校正因子（Φ為光束發(fā)散角）。該方法是通過(guò)測(cè)量板間間距后，由平衡方程將板間間距Δh 換算為測(cè)量的激光功率。實(shí)驗(yàn)證明，在激光功率范圍為25～400 W 時(shí)，該方法測(cè)量不確定度小于等于3.2%。

電容式測(cè)量法主要是使用微加工的電容傳感器作為測(cè)量部分，在減小尺寸和減輕質(zhì)量的同時(shí)提高測(cè)量精度和測(cè)量速度，但是其測(cè)量結(jié)果仍會(huì)受到熱漂移和寄生電容的影響。

2.3 多反射式光輻射壓力測(cè)量

研究表明，在光輻射壓力測(cè)量激光功率的過(guò)程中，如果針對(duì)光輻射壓力進(jìn)行非相干放大，可以有效地提高測(cè)量過(guò)程中的信噪比，降低測(cè)量的不確定度。 Artusio-Glimpse 等[19]提出了一種激光壓力高放大光學(xué)系統(tǒng)（high amplification laser-pressure optic， HALO）。HALO 的第一個(gè)特點(diǎn)在于能與多種力傳感器兼容，其次就是 HALO 系統(tǒng)中所有的激光入射角都保持一致。整個(gè)系統(tǒng)由激光入射窗和多個(gè)反射鏡模塊組成，該光學(xué)系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖5。激光由入射窗進(jìn)入腔內(nèi)，到達(dá)反射鏡模塊，然后在反射模塊間不斷反射，最后由反射模塊將入射激光重新定向到感應(yīng)鏡（激光入射角始終為45°）。實(shí)驗(yàn)表明，使用該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)激光的入射功率為10 kW 時(shí)，測(cè)量不確定度為0.26%；當(dāng)激光的入射功率為1 kW時(shí)，測(cè)量不確定度為0.46%。

類似地， Vasilyan 等[20]使用2個(gè)高精度電磁補(bǔ)償天平（electromagnetic force compensation，EMFC）組成力傳感部分，用2個(gè)平行的高反射率反射鏡組成多反射結(jié)構(gòu)，提出了一種輻射功率計(jì)。測(cè)量光路如圖6所示，激光經(jīng)過(guò)分束器后，利用硅光電二極管測(cè)量進(jìn)入鏡腔的光功率Φin，入射激光經(jīng)反射鏡后進(jìn)入多次反射的輻射壓力測(cè)量系統(tǒng)，同樣利用硅光電二極管測(cè)量輸出功率Φout ，通過(guò)輸入功率與輸出功率的比值來(lái)計(jì)算鏡腔的透過(guò)率 T，由此可以計(jì)算出光路中激光的損失，校準(zhǔn)多反射結(jié)構(gòu)對(duì)測(cè)量的影響。經(jīng)校準(zhǔn)后的熱電堆功率計(jì)測(cè)量值Φref 作為參考值，與Φout 比較并得到經(jīng)多次反射后輻射壓力法的測(cè)量精度

P = 1 ???（6）

式中： c 為光速； RL 為可忽略的光傳輸或吸收（值接近1）；N 為反射次數(shù)；Fi 為單次反射產(chǎn)生的輻射壓力。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)待測(cè)的激光功率在1～10 W 這樣小的功率范圍內(nèi)，該系統(tǒng)的測(cè)量不確定度可降低到1.7%以下，并且隨著測(cè)量光功率、光束反射次數(shù)及反射鏡反射系數(shù)的增加，測(cè)量不確定度會(huì)進(jìn)一步降低。

通過(guò)多次反射來(lái)加強(qiáng)傳感器接收到的信號(hào)，以提升測(cè)量精度，該方法具有一定的可行性。但其缺點(diǎn)是，組成多反射結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件在測(cè)量過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲是影響測(cè)量結(jié)果的最大因素。

2.4 便攜式輻射壓力測(cè)量

基于扭力平衡原理的輻射壓力測(cè)量有著時(shí)間響應(yīng)緩慢、振蕩周期長(zhǎng)、操作環(huán)境要求嚴(yán)格、測(cè)量結(jié)果不可追溯、不易攜帶等缺點(diǎn)。 Williams 等[21]針對(duì)上述缺點(diǎn)，將簡(jiǎn)單的商用力傳感器作為測(cè)量元件，開(kāi)發(fā)了一種便攜的輻射壓力功率計(jì)（radiation pressure power meter， RPPM），其結(jié)構(gòu)如圖7所示。分別以530W Yb 摻雜激光和92 kW二氧化碳激光作為實(shí)驗(yàn)光源，該結(jié)構(gòu)的測(cè)量不確定度分別為7%和13%，同時(shí)證明了所測(cè)力是光輻射壓力而并非熱效應(yīng)力，排除了光與物質(zhì)作用的其他因素干擾。為進(jìn)一步提高測(cè)量的不確定度以及激光在使用過(guò)程中的可追溯性，該團(tuán)隊(duì)[22-23]使用改良的商業(yè)天平作為力傳感器設(shè)計(jì)了一款工業(yè)級(jí)的便攜式輻射壓力計(jì)，可以對(duì)1～100 kW 功率范圍內(nèi)的連續(xù)激光進(jìn)行測(cè)量，并且不確定度可追溯至國(guó)際單位制精度。實(shí)驗(yàn)證明，該裝置的測(cè)量不確定度為1.6%。除上述輻射壓力計(jì)，該團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)出了一種軸向力輻射計(jì)（axial force radiometer， AFR）[24]，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。與 RPPM 相比， AFR 的特點(diǎn)在于：能夠在測(cè)量時(shí)實(shí)現(xiàn)激光的共線傳輸；能測(cè)量垂直方向的力；允許使用光電二極管測(cè)量光路中散失的光，從而增加測(cè)量帶寬。當(dāng)待測(cè)激光功率在1～10.8 kW 時(shí)， RPPM 與 AFR 的平均差異為0.12%。

能夠產(chǎn)生太瓦甚至拍瓦等高峰值功率的高能激光器正在引領(lǐng)科學(xué)研究的前沿，因此可以預(yù)見(jiàn)，隨著科學(xué)發(fā)展，會(huì)有越來(lái)越多的大功率激光器。然而，高脈沖能量和高平均功率的激光器讓脈沖能量變得難以測(cè)量。國(guó)內(nèi)有研究團(tuán)隊(duì)基于1/105精度天平搭建了1 kW 激光功率測(cè)量裝置，實(shí)驗(yàn)證明，以1 kW 功率的納秒激光器作為光源時(shí)，該裝置的測(cè)量不確定度為9%[25]。而國(guó)外最新研究已實(shí)現(xiàn)了無(wú)需采樣下的1 kW 平均功率激光的脈沖能量測(cè)量，其測(cè)量不確定度為2%，并具有可追溯至國(guó)際單位制的精度，即測(cè)量過(guò)程可以完全清晰地被描述，精確度、準(zhǔn)確度、測(cè)量范圍以及穩(wěn)定性經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)匮芯颗c驗(yàn)證，代表最高測(cè)量水平[26]。將 RPPM 與電荷積分光電二極管（charge integrator photodiode， CIPD）結(jié)合組成輻射壓力能量計(jì)（radiation pressure energy meter，RPEM），如圖9所示。其中 CIPD前有一個(gè)積分球和一個(gè)濾光片用來(lái)降低噪聲及激光對(duì) CIPD 的損壞。 CIPD 用于測(cè)量反射鏡 M1上小部分散射光（非鏡面反射）的功率，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光脈沖的快速、低噪測(cè)量，但是該結(jié)果未被校準(zhǔn)，因此需要將其與 RPPM 產(chǎn)生的可追溯到國(guó)際單位制（SI）的平均激光脈沖能量的高精度（盡管噪音更大、速度更慢）的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，并以特定的幾何形狀和脈沖能級(jí)對(duì) CIPD 進(jìn)行校準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光單脈沖的快速、低噪和高精度測(cè)量。

上述便攜式光壓測(cè)量主要基于天平（即力傳感器），采用取樣法對(duì)激光功率測(cè)量并作為基準(zhǔn)，在測(cè)量范圍內(nèi)，測(cè)量精度與鏡片的反射率成正比。該方法的缺點(diǎn)主要是在測(cè)量較高功率激光時(shí)，激光在鏡片上產(chǎn)生的熱效應(yīng)會(huì)大大降低測(cè)量不確定度。

2.5 光輻射力測(cè)量方法總結(jié)

通過(guò)光子動(dòng)量測(cè)量激光功率，本質(zhì)都是通過(guò)將激光功率轉(zhuǎn)化為其他易測(cè)量的物理量，如感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、力等。扭擺式和電磁式是早期通過(guò)輻射壓力測(cè)量激光功率的方法，能初步對(duì)激光功率進(jìn)行測(cè)量，與傳統(tǒng)吸收式測(cè)量相比，測(cè)量精度仍然不夠，而且2種方法的實(shí)用性較差；電容式測(cè)量是使用2個(gè)極板組成測(cè)量結(jié)構(gòu)，通過(guò)測(cè)量極板的位移來(lái)計(jì)算出輻射壓力大小，進(jìn)而得到所測(cè)激光功率，但是該方法的測(cè)量結(jié)果仍會(huì)受到熱漂移效應(yīng)和寄生電容的影響；通過(guò)多次反射對(duì)輻射壓力進(jìn)行非相干放大，能夠有效降低測(cè)量時(shí)的信噪比，提高測(cè)量結(jié)果精度，但是多反射結(jié)構(gòu)同樣會(huì)引入噪聲，干擾測(cè)量精度；便攜式輻射壓測(cè)量在具有一定程度的實(shí)用性的前提下，保證了一定范圍內(nèi)的測(cè)量可靠性，但是該方法的測(cè)量精度受到全反射鏡以及力傳感器的影響。對(duì)于上述方法而言，當(dāng)待測(cè)激光的功率在一定范圍內(nèi)時(shí)，能夠呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，面對(duì)功率較低或較高的激光時(shí)，則會(huì)受到較大的影響，并且在上述方法的測(cè)試過(guò)程中均未使用到皮秒甚至飛秒級(jí)別的超短脈沖激光來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，各測(cè)量方法的性能比較見(jiàn)表1。光輻射壓測(cè)量是測(cè)量高功率激光的理想方法，但目前僅限于對(duì)脈寬在納秒以下的激光進(jìn)行研究，并未挖掘出該方法的潛力。

3 展 望

隨著激光在各領(lǐng)域的應(yīng)用不斷拓展，激光技術(shù)也在不斷優(yōu)化升級(jí)，高功率、窄脈寬成為激光行業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向，標(biāo)志著未來(lái)超短、超快激光等高功率激光技術(shù)的研究會(huì)成為重點(diǎn)。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，以眼科屈光手術(shù)的應(yīng)用為例，是高峰值功率、短脈沖激光的主要應(yīng)用場(chǎng)景。激光的在線、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是激光安全的有力保障。傳統(tǒng)的以吸收光能量實(shí)現(xiàn)激光功率測(cè)量的方式或不適用于高功率激光；或響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)實(shí)時(shí)性不高，只能測(cè)量平均功率；或測(cè)量精度高但測(cè)量范圍有限；或探測(cè)方式受光譜響應(yīng)能力的限制。在高功率激光的測(cè)量方面，采樣法測(cè)量是目前的主流，但是其受到光學(xué)材料或光學(xué)膜層的激光損傷閾值的制約，長(zhǎng)時(shí)間的可靠性也很難保證。而通過(guò)光輻射壓力來(lái)測(cè)量激光功率，不再直接將激光能量轉(zhuǎn)化為探測(cè)的信號(hào)，而是通過(guò)光輻射力作用在一個(gè)傳感端，即采用力學(xué)的傳感方式，這與傳統(tǒng)的光功率測(cè)量方法完全不同。因能量不直接作用在探測(cè)器的能量轉(zhuǎn)換部件，這樣的探測(cè)范圍，特別是在超高功率探測(cè)方面有潛在的優(yōu)勢(shì)。此外，這種方式不吸收激光能量，則傳感器可以不影響激光的傳輸，也就可以實(shí)現(xiàn)在線、實(shí)時(shí)的測(cè)量。目前該技術(shù)僅在激光加工領(lǐng)域有所應(yīng)用，尚未得到普及，仍在研究階段，相信隨著該技術(shù)的發(fā)展成熟，未來(lái)在工業(yè)的應(yīng)用范圍會(huì)不斷增大并拓展到其他領(lǐng)域，如醫(yī)學(xué)，該技術(shù)能有效提升激光手術(shù)過(guò)程中的安全性及可靠性。這也說(shuō)明開(kāi)展此領(lǐng)域的研究具有廣闊的空間。

以美國(guó)國(guó)家計(jì)量局為代表的國(guó)外團(tuán)隊(duì)在光輻射力測(cè)量，以及實(shí)現(xiàn)激光能量測(cè)量方面提出了很多方案，而國(guó)內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)的研究成果相對(duì)較少，且研究進(jìn)展與國(guó)外團(tuán)隊(duì)相比還有一定的差距。目前，雖然有很多采用激光輻射力來(lái)實(shí)現(xiàn)激光功率測(cè)量的研究成果，但是實(shí)現(xiàn)類似當(dāng)前測(cè)量方式的普適性的測(cè)量仍面臨一些挑戰(zhàn)：1.寬光譜范圍的探測(cè)仍是難題之一。雖然光輻射壓力測(cè)量是高反射地將激光反射出去，但是限于光學(xué)薄膜技術(shù)，超寬帶、高反射率的反射鏡設(shè)計(jì)與加工仍是一個(gè)重要挑戰(zhàn)，因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)大光譜范圍的探測(cè)，反射鏡的光譜反射率的一致性也是重要的一環(huán)。2.如何進(jìn)一步地降低測(cè)量的不確定度，提高測(cè)量精確度？可以使用類似多反射光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)提高測(cè)量系統(tǒng)的信噪比；通過(guò)提高力傳感器的精度，以實(shí)現(xiàn)更高精確度的測(cè)量；可以通過(guò)排除光與物質(zhì)作用的其他動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象的干擾，如熱膨脹和熱輻射壓效應(yīng)等來(lái)提高測(cè)量的精確度；激光干涉測(cè)量位移量的精度是可以保證的，引力波的測(cè)量就給出了強(qiáng)有力的證明，可以采用激光干涉技術(shù)實(shí)現(xiàn)更高精度位移量的檢測(cè)進(jìn)而提高激光能量的測(cè)量準(zhǔn)確度。3.保證測(cè)量精度的前提下，要如何提高測(cè)量裝置的測(cè)量范圍？傳統(tǒng)的激光能量測(cè)量受測(cè)量手段的限制，測(cè)量范圍有一定的限制，在激光輻射壓力測(cè)量方面，測(cè)量范圍主要表現(xiàn)為力作用在傳感器上實(shí)現(xiàn)的位移量的大小，這個(gè)位移量的測(cè)量范圍就決定了激光功率的范圍。這個(gè)問(wèn)題可以從兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行分析。一方面，若光是脈沖輸出方式的，可以采用強(qiáng)迫振動(dòng)的理論架構(gòu)，建立固有頻率與受迫力的頻率關(guān)系，建立頻率與位移的曲線關(guān)系，在大強(qiáng)度激光輸出時(shí)，可以采用高固有頻率的傳感器來(lái)降低傳感端的振動(dòng)幅值。而在低強(qiáng)度的激光輸出時(shí)，可以采用與激光重復(fù)頻率接近的傳感器來(lái)提高振動(dòng)幅值，這樣就可以對(duì)脈沖激光實(shí)現(xiàn)大的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍。另一方面，對(duì)于連續(xù)輸出的激光，輻射力作用下的位移量也基本是固定值，可以采用高線性的位移傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)連續(xù)光的功率測(cè)量，如變面積的電容傳感器、長(zhǎng)波波段的激光干涉技術(shù)等。相信隨著儀器科學(xué)的發(fā)展，上述問(wèn)題會(huì)得到有效解決，光輻射壓力的測(cè)量具有很多的優(yōu)點(diǎn)，而有些優(yōu)點(diǎn)具有將現(xiàn)有激光測(cè)量技術(shù)顛覆的潛力，未來(lái)基于激光輻射壓力測(cè)量激光的能量或功率會(huì)有更好的發(fā)展，并將推動(dòng)激光相關(guān)行業(yè)的整體水平向更高、更快的方向發(fā)展。

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（編輯：李曉莉）