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医用激光源检定中探测器的合理选择与使用
【来源/作者】中国计量报 【更新日期】2014-9-16 11:31:32

医用激光源检定中会使用各种激光辐射度探测器。在检定实践中笔者发现,一些检定员对探定器的选择和使用了解较少,造成检定结果错误或检定设备的损坏。本文就常见的激光辐射度探测器的工作原理和特点及其选择使用的原则作一简要介绍。

一、激光功率和能量探测器的基本原理与特点

激光辐射度探测器按照探测机理可分为光热型探测器、光电型探测器、光压型探测器等,其中以光热型和光电型最为常见。

光热型连续激光辐射功率探测器本质上是被测光能量的微分器,通过接收面接收入射激光辐射功率,并转化接收面的温升,从而在接收面与热沉之间形成温度梯度;热流主要通过传导的方式从温度较高的接收面向热沉流动;当入射辐射功率引起的接收面温度上升速率与由于热传导和热辐射引起的接收面温度下降速率相同时,探测器达到动态平衡,此时接收面与热沉间的温度梯度正比于入射辐射功率,由热电堆或其他热电传感器将该温度梯度转换为电压或电流,即可得到被测光辐射的辐射功率。光热型激光功率探测器的接收面通常采用宽波段黑涂层,在很宽的光谱范围内均具有较高的光谱吸收率,从而保证探测器具有良好的光谱响应平坦性。但是由于热传导的速率较慢,此类型探测器的平衡时间较长。

光电型激光功率探测器通常采用光伏器件作为传感器,利用其外光电效应,产生与接收到的光功率成正比的光电流,通过测量该光电流的强度即可得到被测光辐射的辐射功率。光电型激光功率计响应速度快,理论上可以达到亚微秒量级,响应度高,测量下限可以低至10-11W,但是有明显的光谱选择性。

光热型脉冲激光能量探测器本质上是被测光辐射功率的积分器,通过接收面接收入射激光辐射功率,并转化接收面的温升,从而在接收面与热沉之间形成温度差;作为积分器,能量计需尽可能减少接收面由于传导、辐射、对流引起的温度损失,使之接近绝热状态。接收面温度与热沉之间的温差,正比于入射辐射能量,由热电堆或其他热电传感器将该温度差转换为电压或电流,即可得到被测光辐射的辐射能量。光热型激光能量探测器与光热型激光功率计类似,具有良好的光谱响应平坦性。但是由于设计时的绝热条件,测量一个脉冲的能量后接收面温度下降速率较慢,需较长的冷却时间才能够进行下一次测量,因此不适合测量连续脉冲激光源。

热释电激光能量计作为光热型激光能量计的一个特例,利用某些材料的热释电特性测量接收到的光辐射能量。响应速度快,可以达到亚微秒量级,但热释电特性仅存在于交变信号,因此,此类能量计对被测脉冲光辐射有一定的脉宽限制,当脉冲持续时间超过一定宽度时,探测器输出与被测光辐射脉宽具有相关性。热释电能量计通常也采用宽波段黑涂层,从而具有良好的光谱响应平坦性。

光电型激光能量计的测量机理与光电型功率计类似,区别仅在于在测量电路中增加了电流积分电路,因此,此类能量计也具有光电型功率计的特点。

市场上还存在一类激光功率能量探测器,其实质上是一种冷却时间常数较短的能量探测器或冷却时间常数较长的功率探测器。理论上功率探测器作为微分器,其冷却时间常数应尽可能短,避免能量累积;能量探测器作为积分器,其冷却时间常数应尽可能长,避免在辐射持续时间内的能量损失。实际上,探测器由于物理上的限制均不是理想的光辐射微分器或积分器,当入射光辐射持续时间远大于探测器冷却时间常数,探测器不再累积入射能量,成为功率探测器,而当入射光辐射持续时间远小于探测器冷却时间常数,探测器不能达到热平衡状态,成为能量探测器。此类探测器具有一定的通用性,但也存在一定的使用限制,不能用于较长脉冲的能量测量,也不能用于测量短时功率或功率随时间变化较快的激光源。

二、医用激光源检定过程中探测器的选择与使用原则

医用激光源种类繁多,检定过程中需要根据被检光源的特性参数,选择合适的检测仪器。这就要求检定员必须与被检设备的使用操作人员充分沟通,了解被检设备的特性,从而作出正确选择。

医用激光源的检定通常均在使用现场进行,使用操作人员有时对被测激光治疗机的光源特性并不了解,这时检定员需要根据经验和对探测器的基本知识作出选择。

对于光电型探测器,检定员需要了解该探测器所使用的光电二极管的类型,以明确该探测器的使用波段。一般硅光电二极管的光谱响应范围为(360~1100)nm,有些紫外增强型硅光电二极管短波可接近200nm;InGaAs二极管的光谱响应范围为(800~1750)nm。光电型探测器对光谱敏感,因此,光电型探测器不能用于测量宽光谱或多波长混合输出的光源。即使被测光源是单色性良好的激光源,在使用光电型探测器进行测量时,检定员也必须确定该探测器已经在被测光的波长点进行过校准。光电型探测器经常在传感器前面附加光强衰减器,从而可能使探测器的光谱响应度发生变化,这是检定员使用此类探测器时也需要注意的。对于某些类型的激光源,如半导体激光源,其标称输出波长与实际输出波长通常有几纳米的偏差,且输出波长在使用过程中可能会由于温度变化有数纳米的漂移,使用光电型探测器进行测量时需注意由于波长变化而导致的测量误差,必要时建议使用光谱分析仪或波长计测量被测光源的输出波长,对结果进行修正。光电型探测器进行微弱辐射测量时另一个需要引起注意的问题是杂散辐射的影响,因此,进行微弱辐射测量时最好在探测器前增加相应波长的窄带滤光片。光电型探测器一般适合小功率、小能量检测。

光热型功率探测器一般适用mW量级以上的输出功率测量,如需要在mW量级以下测量,需要注意测量环境温度变化的影响,应尽量不使用空调,且操作人员应避免面对探测器接收面。当探测器必须靠近激光辐射源进行测量时,还应注意辐射源在使用过程中是否会有热辐射,导致测量的误差。光热型功率探测器可用于较高重频的连续脉冲光源输出平均功率测量,其适用条件是探测器冷却时间常数远大于脉冲间隔(通常要求10倍以上)。

光热型能量探测器不能用于连续脉冲激光的测量,同时,探测器的冷却时间常数需大于被测脉冲持续时间10倍以上才能保证测量的准确性。

使用热释电型能量探测器时必须选择适用的最大脉冲宽度,否则会导致相当大的测量误差。热释电型探测器对连续输入信号无响应,仅适用于脉冲光源的检定。

使用光热型激光探测器时还需注意探测器的光谱响应度。一般的光热型激光探测器光谱响应平坦,可适用于各种波长的激光辐射度测量,但是也有一些光热型探测器存在光谱选择性,如某些能量探测器为提高损伤阈值,在探测器前增加了漫透射衰减器或在接收面涂层采用高反射金属镀层,这样会导致出现一定的光谱选择性,检定员在使用中需加以注意。

所有的激光辐射度探测器使用中均需要注意探测器的损伤阈值。损伤阈值在探测器的使用说明中通常以最大功率密度、最大能量密度或最大峰值功率密度等形式给出,有些探测器还同时给出了在不同脉冲宽度和不同波长条件下的损伤阈值,检定员在选择所使用的探测器时必须对损伤阈值这一参数给予足够重视,使用前应估算被测激光的功率/能量密度,避免在测量过程中造成测量仪器的损坏。检定员在估算被测激光的功率/能量密度时,应注意激光束功率能量分布的不均匀性,通常情况下可假定输出光束以高斯分布进行估算。

以下是探测器选择和使用中的一些基本原则:

(1)在检定员无法确切了解被测光源的特性参数时,应首先考虑选择无光谱选择性、损伤阈值较高的探测器进行测量。

(2)对于宽光谱或多波长混合输出光源应选择无光谱选择性的探测器。

(3)测量较长脉冲宽度的光辐射时,应避免使用热释电型探测器。

(4)使用光谱敏感的探测器进行测量时,必须确定被测光源的准确波长和谱宽。

三、常见医用激光源检定时的探测器选择

用于血管内照射或皮肤照射的He-Ne激光器,其输出波长为精确的632.8nm,输出功率较小,通常在mW量级,宜选择光电型激光小功率探测器进行测量。

用于前列腺疾病治疗或脱毛美容的Nd:YAG激光器工作于脉冲模式,其脉冲持续时间短,在ns量级,可选择热释电探测器进行测量。

常用于口腔疾病治疗或牙齿美容的Er:YAG激光器,其工作波长为2.94μm,并以单脉冲方式工作,脉冲宽度约为ms量级,可以选择光热型能量探测器。如果选择热释电型探测器,需要注意其允许测量的最大脉冲宽度应大于激光输出脉宽。

对于美容用光子嫩肤仪(IPL),其输出为宽波段脉冲光,脉宽通常在数十毫秒至百毫秒,只能选择无光谱选择性的光热型能量探测器。手术用的YAG或CO2激光器通常为连续工作模式,输出功率为几十瓦,应采用光热型中大功率探测器。

对于半导体激光治疗机,由于其输出波长通常与标称值有一定偏差,且在使用中会有一定的波长漂移,因此,建议使用无光谱选择性的光热型小功率探测器。

四、结论

作为医用激光源的检定员,应具备一定的激光辐射度探测器基础知识,同时在开始检定工作前应充分与用户沟通,最大限度地了解被检设备的特性,才能够保证合理地选择和使用探测器,得到准确的测量结果。


【关键词】光热型探测器, 光电型探测器, 光压型探测器,国家标准物质网 

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