Лазерные датчики на термоэлементах (рис. 1) используются для измерения мощности лазера от нескольких мкВт до нескольких Вт (см. Раздел 2.4) . [2] Входящее излучение лазера преобразуется в тепловую энергию на поверхности. [3] Это тепловложение создает температурный градиент на датчике. Воспользовавшись термоэлектрического эффекта напряжения генерируется этим температурным градиентом . Поскольку напряжение прямо пропорционально входящему излучению, оно может быть напрямую связано с мощностью излучения (см. Раздел 2.1) .
В отличие от фотодиодов , термобатареи датчики могут быть использованы для широкого спектра с длинами волн в диапазоне от УФ до MIR ( в зависимости от характеристик поглощения покрытия на различных длинах волн). [4] [5] Кроме того, фотодиоды имеют обратное смещение и насыщение для оптических мощностей, превышающих определенное значение (обычно в мВт) [6], что делает датчики на термобатареях подходящими для измерений высокой мощности. [2]
Пироэлектрический датчик и калориметр обычно используются для измерения энергии лазерных импульсов. [7] Пироэлектрический датчик может измерять низкие и средние энергии (от мДж до Дж ) и подвержен микрофонным эффектам . [7] Калориметры способны измерять высокие энергии (от мДж до кДж), но имеют большое время отклика. [7]
Принцип работы и устройство
Как показано на рис. 2, лазерный датчик на термобатареи состоит из нескольких последовательно соединенных термопар, причем один тип спая (горячий спай при температуре T 1 ) подвергается воздействию области поглощения, а другой тип спая (холодный спай при температуре T 2 ) подвергается воздействию. к радиатору. Когда лазерный луч попадает на поверхность датчика термобатареи, падающее излучение поглощается слоем покрытия и превращается в тепло. Это тепло затем вызывает температурный градиент на датчике, который определяется как
[К / м],
где t - толщина датчика. [9]
Из-за термоэлектрического эффекта разница температур вызывает повышение электрического напряжения внутри каждой термопары. Это выходное напряжение прямо пропорционально мощности падающего излучения. [10] Поскольку большое количество термобатарей обычно подключаются последовательно, достигаются напряжения от нескольких мкВ до В.
В общем, датчик термобатареи состоит из трех элементов: поглотителя, чувствительного элемента и охлаждающего тела для отвода поступающего тепла.
Абсорбер
В зависимости от толщины абсорбирующего слоя датчик термобатареи можно разделить на две категории. [11]
Поглотитель поверхности
Для поверхностных абсорберов толщина абсорбирующего слоя очень мала (0,1 - 100 мкм), как и общая длина абсорбирующего материала . [11] Он используется для измерения мощности лазеров с большой длительностью импульса (обычно для лазеров непрерывного действия). Если лазер с длительностью импульса в диапазоне от 10 -7 - 10 -4 сек используется датчик может быть поврежден либо диэлектрического пробоя или термических эффектов. [12] В случае теплового повреждения тепло выделяется за короткое время и не может быть рассеяно до прихода следующего импульса. Это приводит к накоплению энергии в тонком слое, что приводит к частичному испарению. [11] Для пробоя диэлектрика пиковая плотность энергии во время импульса достаточно высока, чтобы локально ионизировать поверхность сенсора. [13]
Поглотитель объема
Для защиты датчика от повреждений короткими оптическими импульсами используются объемные поглотители с длиной поглощения порядка миллиметров. [11] Это позволяет объемным поглотителям выдерживать более высокие плотности энергии импульса, поскольку оптическая мощность поглощается на значительной глубине материала. [11]
Геометрия датчика
Существует два основных типа лазерных датчиков на термобатареях, которые можно классифицировать в соответствии с геометрическим расположением термопар внутри чувствительного элемента.
Радиальный датчик термобатареи / диски термобатареи
Диски термобатареи имеют термопары, нанесенные на алюминиевую пластину в радиальном расположении, как показано на рис. 3 (а). [8] Все термопары электрически соединены последовательно с одним спаем на окружности внутренней освещаемой области, а другой спай на внешней окружности. [8] Поглощающее покрытие в освещенной области преобразует излучение в тепло, которое течет радиально наружу, создавая температурный градиент между внутренним и внешним кольцом и, таким образом, термоэлектрическое напряжение. [8]
Осевой датчик термобатареи
На рис. 3 (b) показано поперечное сечение осевого датчика, на котором установлена разница температур между верхней и нижней поверхностями. Термопары встроены в матрицу и выровнены параллельно тепловому потоку, образуя спайки вверху и внизу. [8] Такое расположение позволяет уменьшить общую толщину датчика до 0,5 мм (рис. 4). [8]
Охлаждение / управление теплом
Крайне важно отводить поступающее тепло, чтобы установить стабильный температурный градиент на датчике. [15] Следовательно, холодная сторона датчика должна быть термически связана с радиатором .
Пассивное охлаждение
В этом методе охлаждения холодная сторона датчика устанавливается на теплопроводе (обычно алюминиевом радиаторе), и тепло отводится в окружающую среду за счет теплопроводности (через теплопровод) и конвекции (воздушный поток). [15]
Активное охлаждение
При таком способе охлаждения тепло активно передается в окружающую среду. Обычно это делается путем установки вентилятора на радиаторе пассивно охлаждаемого детектора или путем прокачки воды через систему каналов для охлаждения датчика. Предпочтительный выбор зависит от количества рассеиваемого тепла и, следовательно, от мощности детектора.
Характеристики
Чувствительность
Чувствительность S [В / Вт] - это отношение напряжения U [В], генерируемого из-за падающей на датчик мощности P [Вт] лазера. Генерируемое напряжение зависит от коэффициента Зеебека термоэлектрического материала; следовательно, это константа, специфичная для материала. [9] Падающую мощность можно рассчитать, измерив напряжение датчика и используя формулу:
[W].
Эффективная чувствительность зависит от впитывающей способности слоя покрытия. При постоянной мощности падающего лазера больший коэффициент поглощения означает, что выделяется больше тепла [16], что приводит к увеличению выходного напряжения.
Спектральный диапазон
Спектральный диапазон зависит от характеристик поглощения материала покрытия. [17] Обычно желателен плоский спектр поглощения в широком диапазоне длин волн. Он также может быть адаптирован к диапазону длин волн или к определенной длине волны.
Время нарастания
Время нарастания сигнала - это время, необходимое датчику для достижения 95% полной амплитуды сигнала при воздействии ступенчатой функции падающей мощности лазера. Это зависит от общего теплового сопротивления и тепловой емкости датчика. [11] Величина этих двух параметров зависит от материалов и геометрии детектора [11]
Время нарастания осевых датчиков обычно меньше, чем для радиальных датчиков, поскольку осевые датчики обладают меньшей тепловой массой и тепловым сопротивлением. [8] Разница может составлять от 5 до 10 раз и показана на рис. 5. [8]
Максимальная мощность
Максимальная мощность, которую можно точно измерить, зависит от типа датчика, свойств его материала и типа используемого охлаждения (см. Раздел 1.3) . [12] Ошибочные измерения или даже выход из строя датчика могут произойти из-за слишком большой освещенности. [12]
Максимальная удельная мощность
Максимальная плотность мощности лазера для датчика определяется порогом лазерного повреждения материала покрытия. [13] Пороговое значение зависит от длины волны лазера, длительности его импульса и, в некоторой степени, от структуры поглощающей поверхности [13]
Длительность импульса | т <10 −9 | 10 −9 | 10 −7 | т> 10 −4 |
---|---|---|---|---|
Механизм повреждения | Лавинная ионизация | Диэлектрический пробой | Пробой диэлектрика или термическое повреждение | Термическое повреждение |
Соответствующая спецификация повреждений | N / A | Импульсный | Импульсный и CW | CW |
Источники ошибок измерения
Температурная погрешность
Чувствительность датчика зависит от средней температуры датчика. Это связано с температурной зависимостью коэффициента Зеебека (см. Раздел 2.1) . [18]
Поскольку зависимость является квазилинейной, температурную ошибку можно исправить, умножив измеренное значение на поправочный коэффициент, зависящий от температуры [19]
Фоновая ошибка
Если температура датчика отличается от температуры окружающей среды, тепло течет непосредственно в окружающую среду, не влияя на обнаруживаемый температурный градиент, что эффективно снижает выходной сигнал датчика. [20] Этот тип ошибки порядка нескольких мВт и, таким образом, существенен только при малых падающих мощностях [20]
Фоновую ошибку можно свести к минимуму, поддерживая датчик при температуре окружающей среды и избегая конвективных потоков воздуха. Его также можно исправить, вычтя сигнал неосвещенного датчика (измерение в темноте). [19]
Приложения
Лазерные датчики на термоэлементах находят свое применение в основном там, где требуется чувствительность к широкому спектральному диапазону или где необходимо измерять высокую мощность лазера. Датчики термоэлементов интегрированы в лазерные системы и лазерные источники и используются как для спорадического, так и для непрерывного контроля мощности лазера, например, в контурах управления с обратной связью. Некоторые из приложений
Медицинские системы
Согласно стандарту ЕС (EN6001-1-22) каждая медицинская лазерная система должна быть оборудована резервным блоком измерения мощности. Для таких процедур, как точное разрезание тканей и абляция, мощность лазера можно измерять перед операцией или даже непрерывно в течение всего процесса. Одним из возможных способов интеграции датчика термобатареи в медицинскую систему является использование заслонки или отражателя луча (рис. 6), который можно поворачивать на пути луча и убирать с него для коротких периодов измерения полной мощности лазера. [21]
Промышленные системы
Производственные процессы требуют точности и воспроизводимости. Для лазерной обработки материалов мониторинг мощности лазера полезен, так как позволяет избежать образования отходов и производить продукцию высокого качества.
Существуют различные способы интегрирования измерения мощности. На рис. 6 показано интегрирование пути луча за светоделителем. На рис. 7 показан вариант установки детектора за задним зеркалом лазерного резонатора для непрерывного наблюдения. Потери луча дальше по пути луча, вызванные, например, ухудшением оптики, в этом типе компоновки не отображаются.
В качестве альтернативы детекторы можно использовать для спорадических измерений на выходе лазерной системы. Обычно в этом случае измеряется полный луч. [21]
Измерители мощности
Для единичных измерений вне лазерной системы (например, во время технического обслуживания) целесообразно использовать отдельный измерительный блок. Для такого измерителя мощности чувствительный элемент обычно встроен в металлический корпус для обеспечения механической и термической стабильности. Сигнал записывается и обрабатывается в считывающем устройстве, которое отображает измеренную мощность лазера (рис. 8). [21]
Сверхбыстрое лазерное измерение
Короткоимпульсные лазеры, которые используются в спектроскопии и оптической связи, могут быть измерены с помощью датчиков термобатареи, поскольку они обладают высокими порогами для лазерных повреждений, особенно когда они оснащены объемным поглотителем. (см. раздел 2.5) .
Детектор положения
Компоновка нескольких термопреобразователей на термобатареях, аналогичная конструкции квадрантного фотодиода (рис. 9), может использоваться для определения положения луча, а также его мощности. Это полезно для юстировки луча или для процессов, где правильное положение луча имеет решающее значение для высокой производительности. [21]
Сравнение различных типов детекторов.
Характерная черта | Термобатарея | Фотодиод | Пироэлектрический | Калориметр |
---|---|---|---|---|
Физический принцип | Термоэлектричество | Комбинация электронов и дырок | Поджигатель электричества | Термоэлектричество |
Спектральный диапазон | Широкополосный доступ | узкая полоса | узкая полоса | широкополосный |
Диапазон мощности | От низкого до среднего | Низкий | От низкой до средней энергии | Очень высокие энергии |
Сигнал | Напряжение (В) | Ток (А) | Напряжение (В) или ток (А) | Напряжение (В) |
Время отклика | Высокая | Низкий | Низкий | Высокая |
Чувствительность, зависящая от длины волны | Нет | да | Нет | Нет |
Линейный ответ | да | Да, до насыщения | - | - |
Эффект небольшого изменения угла падения | Незначительный | Значительный | Незначительный | Незначительный |
Рекомендации
- ^ "Датчики gRAY" .
- ^ а б «Спецификация продукта серии C» . Thorlabs . 6 мая 2016 . Дата обращения 6 мая 2016 .
- ^ «Принцип работы» . ГРЕЙ . Дата обращения 6 мая 2016 .
- ^ Башар, д-р Шабир А. (7 мая 2016 г.). «Исследование оксида индия и олова (ITO) для новых оптоэлектронных устройств» . Дата обращения 7 мая 2016 .
- ^ "Измеритель мощности Throlabs серии C" . 6 мая 2016 . Дата обращения 6 мая 2016 .
- ^ Дж. Вайднер (2009). Интегрированная оптоэлектроника 4, выпуск 41 . Электрохимическое общество. ISBN 9781566777223.
- ^ a b c « Сравнение пироэлектрической и термобатареи », Норберт Нойман, Виктор Банта, Infra Tec GmbH, Gostritzer Str.61-61, 01217, Дрезден, Германия, и Исследовательский центр Декстера, Inc., 7300 Huron River Drive, Декстер; MI 48130, США
- ^ a b c d e f g h i j « Новое изобретение измерения мощности тепловых лазеров», Конференция «Лазеры в производстве», 2015 г., С. Дрёшер, М. Цанер, Э. Швайтер, Т. Хелблинг и К. Хиерольд.
- ^ а б Д. Поллок, Дэниел (1985). Термоэлектричество: теория, термометрия, инструмент, выпуск 852 . ASTM International. ISBN 9780803104099.
- ^ "Детекторы мощности лазера gRAY от greenTEG" . gRAY - Детекторы мощности лазера . Проверено 28 апреля 2016 .
- ^ Б с д е е г "Учебное пособие по технологии датчика мощности термобатарейного лазера" . www.newport.com . Проверено 28 апреля 2016 .
- ^ а б в г «Порог лазерно-индуцированного поражения» . Thorlabs.com .
- ^ а б в «Лазерное повреждение» . RP Photonics .
- ^ «Б01-СК» . ГРЕЙ, зеленый ТЕГ .
- ^ а б Джон Х. Линхард (2019). Учебник по теплопередаче: 5-е издание . Дуврский паб.
- ^ Хью Х. Ричардсон, Майкл Т. Карлсон, Питер Дж. Тандлер, Педро Эрнандес и Александр О. Говоров (6 мая 2016 г.). «Экспериментальные и теоретические исследования эффектов преобразования света в тепло и коллективного нагрева в растворах металлических наночастиц» . Nano Lett . 9 (3): 1139–46. DOI : 10.1021 / nl8036905 . PMC 2669497 . PMID 19193041 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) " Absorbance ".
- ^ Кенго Кишимото, Масаёси Цукамото и Цуёси Коянаги (6 мая 2016 г.). «Температурная зависимость коэффициента Зеебека и рассеяния на потенциальном барьере пленок PbTe n-типа, полученных на нагретых стеклянных подложках путем высокочастотного распыления». Журнал прикладной физики . 92 (9): 5331–5339. DOI : 10.1063 / 1.1512964 .
- ^ а б "Управление температурным режимом для датчиков мощности лазера на термоэлементах" (PDF) . ГРЕЙ . 6 мая 2016 . Дата обращения 6 мая 2016 .
- ^ а б «Термопары: теория» . 6 мая 2016 . Дата обращения 6 мая 2016 .
- ^ а б в г д е «Приложения» (PDF) . gray.greenteg.com . 2015-08-18.
- ^ «Измеритель мощности Thorlabs» . Thorlabs.com .
- ^ «Датчик положения» . gray.greenteg.com .
- ^ «Тепловой датчик против фотодиода» (PDF) . gray.greenteg.com . 6 мая 2016 . Дата обращения 6 мая 2016 .
- ^ Руководство по продукту Gentec EO . gentec EO. 2014 г.