定义
测量光脉冲能量的仪器。
光能量计（或激光能量计）是一种用于测量光脉冲能量的仪器，例如来自Q开关激光器的脉冲。 它通常适用于很宽的脉冲持续时间，但限制如下所述。 虽然一些仪器可以检测到皮焦耳区域中非常微弱的脉冲，但其他仪器适用于许多焦耳的高脉冲能量。
大多数光能量计仅适用于光束半径相当有限的光束，例如不适用于漫射光，但有例如带有积分球的特殊传感器头，甚至可以接受并精确测量高度发散的输入光束。 然而，大多数应用涉及不需要处理强发散的激光束；然后，人们仍然可以从积分球提供的响应的高空间均匀性中受益。
对于具有恒定脉冲重复率的脉冲序列，可以通过用光功率计测量的平均功率除以重复率来计算平均脉冲能量。 然而，人们不能以这种方式测量脉冲能量波动。 光能计可以单独测量每个脉冲的能量，还可以提供有关多个脉冲的测量能量的统计数据。
通常，光能量计带有一个包含能量传感器的传感器头，该传感器通常安装有一个柱子，用于接收光学工作台上方一定高度的水平输入光束。 传感器头可以配备额外的光衰减器，以扩展测量范围；这些器件特别适用于基于光电二极管的器件。
传感器头可以连接到独立的显示仪器，包含用于激光功率的模拟或数字显示器。 通常，它允许用户在不同的能量范围之间进行选择，并可能进行其他设置，例如有关显示模式或激光波长的设置。 它还可能具有模拟电输出，提供与上次接收到的脉冲能量成比例的电压信号，和/或用于连接到计算机的数字接口（例如USB，GPIB或RS-232）。
显示仪器通常可以与不同的传感器头结合使用，甚至可以与不同类型的传感器头结合使用，例如热释电和光电二极管类型。 一些仪器也可以用作光功率计。
还有紧凑型USB接口，能量传感器可以通过这些接口连接到计算机。 它们只包含很少的电子设备，特别是除了数字接口之外的模数转换器。 一种使用设备附带的软件来显示值，更改测量范围，也可能用于数据记录和类似目的，超出了典型的独立电表的功能。 这种设备节省了额外显示器的成本，也可能非常方便，例如对于携带笔记本电脑旅行的工程师来说，只需携带最少的额外仪器。 此外，这种能量传感器可以连接到更复杂的系统。
传感器类型
热释电传感器
大多数光能表都是基于热释电探测器的原理，热释电探测器是一种热探测器。 大部分入射光能被吸收，例如通过一些黑色涂层。 然后将热量传导到铁电晶体中，铁电晶体产生电压脉冲，其大小与脉冲能量成正比。
这种热能计通常可用于几纳焦耳到许多焦耳之间的脉冲能量 - 但请注意，单个传感器头通常无法跨越整个范围。
热释电能量计相当精确，可在很宽的波长范围内使用（具有相当独立于波长的灵敏度）。 它们相当坚固，但应避免过于紧密地聚焦在吸收器上。 使用高质量的吸收体（例如基于陶瓷材料），它们甚至可以承受相当大的光学峰值强度。
有关更多详细信息，请参阅有关热释电探测器的文章。
光电二极管
更灵敏的能量计可以用光电二极管制造，最常见的是基于硅（Si），但对于近红外，也可以用锗（Ge）制造。 砷化铟镓（InGaAs）在电能表中不太常见，因为大面积InGaAs探测器价格昂贵。 可以测量皮焦耳区域的能量。 当使用合适的衰减器时，光电二极管也可用于测量高能量。 然而，它们不如热能表坚固耐用：当暴露在过高的光学强度下时，它们更容易损坏。
由于光电二极管的高灵敏度，它们也非常适合带有积分球的传感器头。 在这种情况下，也可以使用InGaAs光电二极管，因为尽管光电二极管面积较小，也可以实现较大的输入面积。
此外，光电二极管的灵敏度与波长相当相关，因此基于光电二极管的能量计通常需要用户对波长进行设置。 然后，该器件使用内部校准表来补偿波长相关的响应度。 当然，当将能量计用于在不同波长下工作的激光器时，不应忘记调整该设置，否则能量校准将是错误的。 显然，这种方法不适用于具有非常宽带或可变光谱的光束，而它可能非常适合激光波长很少改变的情况。
光能计规格
光谱响应
制造商通常指定一定范围的光学波长，以达到引用的测量精度。 对于热探测器，该范围可能相当宽，例如延伸到红外光谱区域，因为制造宽带吸收器（例如带有黑色涂层）并不太困难。 请注意，引用的光谱范围可能小于光谱响应；可能存在检测器反应的波长区域，但不是校准响应。
基于光电二极管的仪器也可以在很宽的波长范围内工作，例如，使用从近紫外到略高于1μm的Si基二极管，但响应度在此范围内变化很大。 因此，如上所述，用户必须设置波长，并且仪器通常必须“相信”此设置是正确的。 原则上，这种能量计可以配备波长传感器，但这并不常见。
能量测量范围
大多数电能表允许用户在不同的测量范围之间切换，例如，最大能量为 100 nJ、300 nJ、1 μJ、3 μJ 和 10 μJ。
特定传感器头的最大允许能量主要受损坏问题的限制。 但请注意，当以不适当的小光束直径传输输入光束时，光能量远低于最大允许能量的传感器头很容易损坏。 然后局部强度变得过高，这对于基于光电二极管的器件来说尤其是一个问题。 （即使在损坏发生之前，也可能存在局部饱和效应，导致读数错误。 因此，仪器规格通常包括最大允许输入通量（以 J/cm 为单位）2).
允许的平均功率可能会有进一步的限制。 这意味着，为了获得尽可能高的脉冲重复率，需要限制脉冲能量，否则传感器的热量会太强。
最小测量范围受测量噪声的限制，通常受来自传感器头的噪声限制。 通常会选择最低能量范围，以使测量不确定度仍比最大能量低至少 10 到 20 dB。
基于光电二极管的能量传感器比热传感器灵敏得多。 在这里，最低测量范围通常在皮焦耳区域。 对于敏感的测量范围，当然必须小心避免环境光的影响，例如使用适当的屏蔽（例如光束路径周围的黑色阳极氧化管）和/或在黑暗的实验室中工作。
准确性
对于特定测量范围内接近最大读数的功率，典型的测量精度约为 ±3% 或 ±5%。 在某些范围内远低于最大值的能量可能不太精确。
要获得更好的精度，需要定期重新校准，并且无论如何都会受到探测器均匀性（见下文）、热漂移和其他影响的限制。
最大重复率
热能传感器在最大可能的脉冲重复率方面非常有限。 特别快的设备可以使用数十千赫兹甚至超过 100 kHz，而其他设备则限制在几千赫兹甚至低于 1 kHz。 暂时，用于更高能量的设备速度较慢。
基于光电二极管的能量计可以更快，例如，对于数百千赫兹的脉冲重复率。
允许的脉冲持续时间范围
通常，脉冲能量计不会暂时分辨脉冲，并且显示的能量不会受到脉冲持续时间的显着影响。 但是，脉冲不应太长；可能会有一个限制，例如在几微秒处（很大程度上取决于设备的类型）。
另一方面，非常短的脉冲与高能量相结合可能是一个问题，因为峰值功率和峰值强度可能非常高。 设备规格通常不包括允许的最小脉冲持续时间，因为这必须取决于光束面积，可能还取决于波长，但在实践中，在极端情况下可能会遇到限制，特别是当光束直径太小时。
响应的有效面积和均匀性
功率计的典型有效区域是圆形或方形，尺寸在几毫米到几厘米之间。 较大的有源区域通常由高能量设备提供。
基于热能计和基于光电二极管的光能计的一个可能问题是响应的均匀性。 对于热传感器，由于不同光束位置的吸光度或温度分布取决于结果，因此缺乏均匀性。 对于光电二极管，过高的光学强度很容易导致不均匀的响应。
带有积分球的传感器头自然可提供最高的探测器均匀性。
电子输出
一些仪器具有模拟输出（例如通过BNC插座），其中输出电压通常与最后一个注册脉冲的能量相对于特定测量范围内的最大能量成正比。
数字接口非常通用，允许在计算机上大幅扩展功能。 例如，尽管甚至可以由独立设备提供数据记录，但在计算机上处理和存储此类数据可能更方便。
数据记录和脉冲能量统计
虽然简单的光能量计可以简单地显示上次接收脉冲的能量，但更先进的设备提供了大大增强的功能。
数据记录意味着所有测量的脉冲能量，可能与记录时间一起，都存储在一个文件中，以供以后分析。 在某些情况下，可以取具有一定较低重复率的脉冲样本，而不是取所有脉冲能量，从而相应地减少数据量。
图形数字显示可以在不同的显示模式下工作。 一些例子：
- 它可以显示所有脉冲能量与时间或脉冲数的关系，或者仅显示一些最近脉冲的数据（例如最近100个脉冲）。
- 人们可以获得脉冲能量的直方图，可能与高斯分布的拟合及其数值参数（例如平均能量和能量波动的均方根值）一起获得。
- 人们可以得到一组统计值，例如平均或中位数能量，最小值和最大值，波动的均方根值。
仪器还可以显示脉冲重复率，并且可以指示任何缺失的脉冲。
一些仪器允许用户输入脉冲能量的某个阈值，仪器可以计算高于或低于该阈值的脉冲数。 还可以有两个阈值用于检查脉冲能量是否保持在某个允许范围内。
用于将数据传输到其他软件的软件界面也可能非常有用。 例如，自动泵-探头测量设置可以记录样品的入射和反射脉冲能量，并显示处理后的数据。
触发
在最简单的情况下，设备可以记录它可以检测到的所有脉冲。 还可以设置一个阈值，以便忽略低于该阈值的脉冲。 某些设备具有外部触发输入；当接收到触发脉冲时，设备将测量下一个到达脉冲的能量或显示上次接收的脉冲。
尺寸
光能传感器的机械尺寸可能与应用非常相关，例如，当传感器需要临时插入某些光束路径时，其中可用空间很小。 有一些非常扁平的手持式传感器，大多基于光电二极管，需要的空间很小。
电源
电能表需要一些电力，这些电力可以通过外部电源或电池（通常可充电）提供。 电池供电的操作当然方便，通过消除另一根电缆进入附近电源插座的要求，但另一方面，需要定期充电也可能不方便。 连接到计算机的设备（例如通过USB电缆）可以从那里获得电源。
