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高功率激光器測(cè)量-熱電堆(Thermopile)探測(cè)器
更新時(shí)間:2020-08-20   點(diǎn)擊次數(shù):2660次

高功率激光器測(cè)量-熱電堆(Thermopile)探測(cè)器

激光功率(或能量)是表征激光器重要的參數(shù),主要的探測(cè)器類型有光電二極管,熱電堆探測(cè)器和熱釋電探測(cè)器。除此以外,特殊應(yīng)用還有光電倍增管,雪崩二極管等。常見(jiàn)高功率激光器(YAG, CO2等)功率測(cè)量的主要設(shè)備就是熱電堆探測(cè)器。熱電堆探測(cè)器的主要優(yōu)點(diǎn)是:高功率(uW-KW)及響應(yīng)波段寬(紫外到>10um),響應(yīng)范圍為整個(gè)紅外區(qū)域,室溫下工作,使用方便。而且整個(gè)響應(yīng)區(qū)域,響應(yīng)度曲線整體平整,隨波長(zhǎng)變化不大,特別適用于寬波段光學(xué)測(cè)量。它的劣勢(shì)是響應(yīng)速度慢,低功率(uW級(jí))測(cè)量準(zhǔn)確性不高。

熱電堆(Thermopile)探測(cè)器原理

熱電堆傳感器由兩種不同金屬連接在一起,是利用溫差電現(xiàn)象制成的一種器件,在熱端和冷端有溫差時(shí),回路中會(huì)產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì),其數(shù)值與輻射量有關(guān)。激光功率照射熱電堆的導(dǎo)熱盤,測(cè)量出的溫度變化正比于入射的光功率。由于所有的熱量都可以被熱電堆吸收,檢測(cè)器的響應(yīng)幾乎是獨(dú)立于激光光束大小和位置。Newport的探測(cè)器均勻性達(dá)到<±2%.

 

熱電堆盤類型(表面與體吸收結(jié)構(gòu))

沒(méi)有一種吸收體符合所有激光功率測(cè)量的需求。長(zhǎng)脈沖(0.1-10ms)和連續(xù)波的吸收體,其特征是?。ㄒ话銥?/span>0.1µm)和耐火材料,因?yàn)樵诿}沖持續(xù)時(shí)間內(nèi),熱可以通過(guò)涂層進(jìn)入到導(dǎo)熱盤。而測(cè)量短脈沖(<1us)的激光不能采用上述結(jié)構(gòu),所有的能量沉積在一個(gè)薄的表面層,這會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)熱盤表面的破壞和蒸發(fā)。

 

熱電堆可以測(cè)量激光功率從幾十微瓦到千瓦不等。然而,導(dǎo)熱盤的測(cè)量范圍是有限的。如果兩種材料熱和冷的交界處的溫度差異超過(guò)幾十度,不斷加熱/冷卻會(huì)導(dǎo)致器件過(guò)早損壞。因此,為了適應(yīng)不同的功率測(cè)量范圍,需要選擇不同厚度和大小的導(dǎo)熱盤,厚的用于高功率激光測(cè)量,薄的用于低功率。導(dǎo)熱盤的響應(yīng)時(shí)間是取決于它們的大小和形狀:直徑較大和較厚的導(dǎo)熱盤比薄和小的導(dǎo)熱盤響應(yīng)慢。

 

測(cè)量短脈沖激光時(shí)(幾十個(gè)微秒或甚至更短),熱沉積在短時(shí)間內(nèi)不能流入導(dǎo)熱盤。因此,吸收的能量在一個(gè)薄的表面層是不合適的。在這種情況下,使用體吸收結(jié)構(gòu)。中性密度玻璃吸收光的深度為1-3毫米而不是微米級(jí)。因此,即使短脈沖在沒(méi)有熱量流動(dòng),光和熱沉積到相當(dāng)?shù)纳疃?,因此體吸收結(jié)構(gòu)能夠承受更高的能量密度——達(dá)10焦耳/平方厘米。

 

高功率熱電堆探測(cè)器的標(biāo)定方法和準(zhǔn)確性

高功率(5KW)熱電堆探測(cè)器Newport 919P-5KW-50是使用相對(duì)較低功率的激光器150-300W進(jìn)行標(biāo)定。使用這樣的低功率激光進(jìn)行標(biāo)定,而當(dāng)使用高功率測(cè)量時(shí),就會(huì)讓人想到關(guān)于標(biāo)定精度的問(wèn)題。通過(guò)熱電堆探測(cè)器的工作原理可知,由于它是電壓產(chǎn)生裝置,因此電壓輸出必須是線性的。如果在低功率的校準(zhǔn)是準(zhǔn)確的,在高功率它將保持較高的準(zhǔn)確性,919P-5KW-50的準(zhǔn)確度在±5%以上。

 

使用熱電堆探測(cè)器來(lái)測(cè)量單脈沖能量

雖然熱電堆激光功率探測(cè)器主要用于測(cè)量功率,其實(shí)它還可測(cè)量單脈沖能量。由于導(dǎo)熱盤加熱和冷卻下來(lái)的時(shí)間通常是幾秒鐘,這種熱探測(cè)器只能測(cè)量每幾秒鐘一個(gè)的單一脈沖,因此它僅僅適用于所謂的“Single shot”的測(cè)量,而且測(cè)量的脈沖寬度是沒(méi)有限制的。

 

Newport 919P-020-12響應(yīng)度曲線

響應(yīng)范圍為整個(gè)紅外區(qū)域,且響應(yīng)度隨波長(zhǎng)變化極小。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)下圖。

 

 

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