測量激光的功率是一項挑戰。我們(men) 可以將激光能量匯聚到傳(chuan) 感器上，並測量由此產(chan) 生的溫升，或用已知部分光束的功率來測算被測激光。對於(yu) 第一種選擇，激光必須從(cong) 正常傳(chuan) 播路徑切換（轉移），因此，它不能在生產(chan) 中應用。在這兩(liang) 種選擇中，如果麵對用於(yu) 金屬切割和焊接等應用的極高功率激光器，很容易因為(wei) “處置不當”，而燒毀傳(chuan) 感器。

據麥姆斯谘詢報道，美國國家標準與(yu) 技術研究院（NIST）的研究人員顯然意識到了這些挑戰，並在最近設計了一種測量高千瓦範圍（高達500 kW）激光功率的係統。他們(men) 使用一個(ge) 反射鏡攔截並反射99.9%的光束，從(cong) 而使光束可以繼續執行其原來的功能。這款裝置大約相當於(yu) 一個(ge) 鞋盒的大小，能夠精確地抵消誤差來測量撞擊光子的力（輻射壓力，一個(ge) 100 kW的光束，大約330 mg）。

但是這種方法無法兼容強度低得多的數百瓦量級的激光束，因此NIST的研究人員又設計了一種完全不同的傳(chuan) 感方案。他們(men) 不再測量撞擊在反射鏡上的微小激光力，而是設計了一種概念上簡單的“智能反射鏡”方案（圖1）。新設計既緊湊又適合嵌入光路，因此不會(hui) 幹擾激光的使用，這在實際應用中是一大優(you) 勢。

圖1 在這款智能反射鏡原型中，激光從(cong) 黑色塑料環中間的布拉格反射鏡矽板的高反射表麵被反射

這款傳(chuan) 感器的核心是一個(ge) 基於(yu) MEMS的電容組件，它由上下兩(liang) 片相同的板組成，每個(ge) 板的寬度約為(wei) 20 mm，間隔42.5 um（圖2）。上方的矽板傳(chuan) 感元件通過三個(ge) 窄螺旋支架（寬度為(wei) 265 um，厚度為(wei) 380 um，長度為(wei) 45 mm）附接到外圍的矽環上，它被製造成分布式的布拉格反射鏡，一種由矽和二氧化矽交替層製成的高反射率反射鏡。與(yu) 傳(chuan) 統的反射鏡不同，通過調諧交替層的間隔和分布，它能夠在所需波長下獲得最大的反射率。

圖2 展示了這款MEMS傳(chuan) 感反射鏡係統的示意圖（a）和所製造的傳(chuan) 感器原型照片（b）

耦合的上下兩(liang) 片矽板因為(wei) 能夠做相同地（或非常接近地）運動，因而可以抑製共模機械噪聲，例如振動或傾(qing) 斜。研究員John Lehman評價(jia) 說：“如果設備受到物理移動或振動，兩(liang) 塊板都會(hui) 一起運動，因此矽板上的淨力主要是輻射壓力，而不會(hui) 受到任何環境影響。”

投射到上方矽板上的激光會(hui) 產(chan) 生一個(ge) 力，使其靠近下方矽板，並改變整個(ge) 組件的電容；兩(liang) 塊矽板之間的間距與(yu) 光子壓力直接相關(guan) 。為(wei) 了測量電容的變化，原型裝置采用了開環信號處理測重（圖3）。

圖3 簡化框圖展示了施加到可變電容器C1的光學力。通過鎖相放大器對與(yu) 光學力相關(guan) 的AC橋信號進行測量，開環布置是高度非線性的。需要仔細表征以確定初始零點靜止狀態，以正確測量傳(chuan) 感器對激光功率的響應。

為(wei) 了增強性能，他們(men) 計劃采用閉環零指示器方法，這種方法在高性能測量中很常見，通過一個(ge) 伺服控製器用靜電力將傳(chuan) 感矽板偏轉到預設的偏置點。然後，當兩(liang) 個(ge) 矽板之間的間距減小時，伺服控製器調節該偏置力以使MEMS彈簧和矽板返回其原始零位。

雖然閉環架構需要額外的電路，但它會(hui) 帶來更好的性能，並消除一些誤差源，例如傳(chuan) 感器彈簧常數。

他們(men) 的概念驗證裝置使用250 W激光器在開環下運行。其響應時間低於(yu) 20 ms，本底噪聲為(wei) 2.5 W/√Hz。

研究人員明確指出，這項研究目前仍處於(yu) 早期階段。除了電路噪聲外，還需要考慮和校準許多二階和三階誤差因子，以提高靈敏度和穩定性（包括空氣介電常數）。通過進一步的研究，他們(men) 希望製造出可用於(yu) 1 W ~ 1 kW功率的傳(chuan) 感係統。該功率測量子係統甚至可以封裝在激光係統和光路中，以實現連續的實時讀出，從(cong) 而帶來顯著的實際效益。