盘点有哪些常用的光测量工具，不同场景该如何选用？

光源有十几种，探测器也有十几种，到了测试测量这一栏，名目更多：光功率计、能量计、光谱分析仪、波长计、光束分析仪、噪声分析仪、自相关仪、偏振测量仪、自准直器、表面分析设备……

量具这么多，是因为光本身可以由一堆互相独立的量来描述：有多强、什么颜色、什么形状、稳不稳、什么时候到的。想测哪个，就得换哪台仪器。

这一篇不打算逐个讲原理，而是把这堆仪器按「到底在测什么」归拢一下，顺带说说各自的坑在哪里。

一、先问一句：测功率还是测能量

一切从最基础的量开始。光是连续的还是一串脉冲，决定了该看哪一个。

连续光看功率，单位是瓦。脉冲光则不同——峰高会随着脉宽和重复频率变来变去，单看峰值没什么意义，真正要紧的是每个脉冲携带的能量，单位是焦。两者之间只差一个换算：能量是功率对时间的积分，而平均功率等于单脉冲能量乘以重复频率。

图1：连续光读功率，脉冲光算能量

探头也有两套。一类是光电二极管：响应快、灵敏度高，纳瓦到几毫瓦都灵，但灵敏面小、容易被强光打坏，而且读数随波长变，必须按波长校准。另一类是热敏探头（热电堆）：靠吸热升温来测，从可见一直到远红外响应都很平坦，量程也宽，几十瓦照样扛得住，代价是慢。

测量前还有个不起眼但很要紧的动作：校零。探头自身的暗电流与环境杂散光会贡献一个底数，不挡光归零就直接读，小信号会被这个底数整个带偏。热敏探头尤其如此，它的响应本来就慢，温度一漂，零点也跟着挪。

量程的下限则由噪声等效功率决定——读数低到与噪声同量级时，那个数就没什么意义了。所以标称「纳瓦级」的探头，真要量准纳瓦，得看它在那个读数下的不确定度，而不是只看分辨率显示几位。

选之前值得先想清楚三件事：连续还是脉冲；波长设对没有；功率会不会超标。最后一条尤其容易被忽略——灵敏探头被强光一照，可能就永-久损伤了。

二、看颜色：光谱分析仪

功率计把所有波长的光加在一起给一个数。若想知道每一段波长各占多少，就得把光拆开，这就是光谱分析仪（OSA）的活。

图2：拆开之后，看每个波长各有多少

核心是一个分光元件加一列探测器。光栅把不同波长甩到不同角度，阵列各点分别接收，于是得到强度随波长变化的曲线。

这里有个词容易被误用，就是分辨率。它说的是「两个靠得很近的谱线能不能分开」，用分辨率带宽（RBW）衡量。狭缝开得越窄，分得越开，可进光量也变小，灵敏度跟着降——又是一次折中。

还有个更隐蔽的坑：动态范围。强峰旁边若有个很弱的小峰，前者在仪器内部产生的散射光很容易把后者淹没。这个指标有时候比分辨率更要命。

还有一件容易被漏掉的事：波长要定期校准。光栅与阵列的相对位置会随温度、随时间慢慢挪，过一段时间不校，读出来的波长会整体偏掉。校准的办法是拿一条已知谱线的标准光源（比如气体放电灯的谱线）打进去，看看读数与标准值差多少。

另外，扫描范围与采样点数也是一对矛盾：跨度拉大则采样变稀，窄的谱线可能被采漏；点数加密则扫得慢。做窄线宽测量时，宁可把跨度收窄、点数加密。

最后提醒一句：分辨率是「分得开」，精度是「读得准」，两者不是一回事，别混着看。

三、只要一个数，但要极准：波长计

如果只关心中心波长，不关心谱形，那不必动用光谱仪——波长计更快也更准。

常见的有两条路。干涉式靠数条纹：动镜移动一段距离，干涉条纹变化多少次，就能反推出波长，精度可以做到很高。光栅式则是看衍射角落在线阵的哪个位置，结构紧凑、响应快，但精度略逊一-筹。

图3：数条纹还是看角度，精度差着好几个数量级

两者的精度通常差上好几个数量级。要盯着波长稳不稳、漂了没有，就持续测；只是找一下中心波长，扫一遍即可。

顺便说一句：波长计对跳模比较敏感。如果光源本身在两个模式之间来回跳，读数会跟着乱跳——这时候光谱仪反而更能看出问题。

四、看形状：光束分析仪与 M²

功率和颜色都对了，光斑的形状与传播特性又是另一回事。这直接影响能不能聚焦到足够小、能不能传得足够远。

描述高斯光束最要紧的两个数是束腰半径 w₀（最细处有多粗）与远场的发散角 θ。把这两个数和波长凑在一起，就得到无量纲的 M²：

M² = π · w₀ · θ / λ，理想高斯光束 M² = 1

图4：光斑多粗、散得多快，要看整条 w(z) 曲线

M² 越大，同样粗细的光束散得越快，也聚不回同样小的点。它是个很实在的指标——所谓「光束质量好不好」，说的就是它。

测法上有刀口或扫描狭缝（挪着切过去，靠透过的光强反推光斑尺寸），也有 CCD 相机直接拍（一次成图，看形状方便，但要防饱和）。无论哪种，都必须沿光路多测十来个位置，束腰附近与远场都要覆盖，拟合出整条 w(z) 曲线才算得出 M²。只测一处是算不出来的——这一点最常被忽略。

还有个细节值得留意：光斑半径怎么定义，结果会不一样。常用的有 1/e²（强度降到峰值约 13.5% 处的半径）与按二阶矩算出来的两种，后者是标准里规定的做法，对光斑边缘的杂散光更敏感。同一个光斑用两种定义报出来的数并不相同，比对数据时得先问清是哪一种。

再就是孔径截断：光斑被镜头或光阑切掉一部分，算出来的尺寸就偏小。相机靶面不够大时尤其容易踩这个坑。

五、稳不稳、纯不纯、快不快

还有三个量分属不同的时间尺度，很容易被混为一谈。

图5：三个不同的时间尺度，各归各

强度噪声看的是功率在微微抖动，通常用相对强度噪声（RIN）描述，单位是 dBc/Hz。它高，说明光源不稳，做吸收测量或相干测量都会受拖累。

线宽看的是谱线有多窄，从千赫兹到兆赫兹不等。线宽越窄，相干长度越长，相干通信与分布式传感都指望它。

脉宽则是另一个极-端。飞秒脉冲快到电子学根本跟不上，只能靠光学自相关：把脉冲分成两束，一束走固定臂，另一束走可调延迟，再让它们在非线性晶体里合频——只有当两束在时间上重叠时才有信号，扫一遍延迟就得到自相关迹线，再反推脉宽。

测噪声时有个天然的下限绕不过去：散粒噪声。光由一份份光子组成，到达的数目本身就有统计起伏，与仪器做得多好无关。它给出的相对强度噪声下限与光功率成反比——功率越小，这条底线越高。所以测弱光的噪声，先算一算散粒噪声在哪，免得把它当成光源的毛病。

三个量分属不同尺度，一个看功率抖不抖，一个看颜色纯不纯，一个看脉冲多短。弄清楚要问哪一个，才不会拿错仪器。

六、还有几位：偏振、角度与面形

剩下几位各有各的用场，但思路是一致的——都是把某个量测出来。

偏振测量仪测的是偏振态与消光比。光纤型的要留意偏振模色散，否则测出来的可能不是器件本身的特性。

自准直器测角度，表面分析设备测面形。它们不关心光有多强，只关心方向或形状准不准，属于另一条线。

成像系统与相机则把空间分布测准，核心是分辨率、动态范围与线性度，与功率测量是两回事。

七、选型时究竟看什么

把上面这些串起来，选仪器其实是在依次问四个问题。

图6：一张表看懂该拿哪台去量

测哪个量——功率、能量、光谱、波长、形状、噪声、偏振，先定性；

量程与波长范围——超出这两条，其他指标再好也没用；

要「准」还是要「快」——这条经验很管用，多数取舍都绕着它转；

会不会伤到仪器——灵敏探头怕强光，量程上限与损伤阈值都得看清楚。

接口形式、要不要配衰减、采样速率、软件能不能导出数据——多半是这四条的延伸。

八、总结

测试仪器分出这么多种，根源在于光可以被拆成很多个互相独立的量来问。每多问一个，就得换一台机器。

先分清是连续还是脉冲（测功率还是测能量）；

再分清要的是总量还是分布（功率计给一个数，光谱仪给一条曲线，波长计只给一个极准的数）；

量光束则必须沿光路多点采样才能拟合出 M²，只测一处算不出来。

要分辨率就得收窄狭缝，接受灵敏度下降；要精度就得上干涉式，接受结构复杂；要快就得用阵列，接受精度打折。所谓选型，说到底就是先想清楚哪一个数最不能让步，然后接受其他方面的妥协。

下次打开那一长串设备清单，不妨先问一句：究竟要的是哪一个数。想通了这一层，清单就没那么难读了。