Лазерный датчик на термобатарее

датчики на термобатареях Лазерные (рис. 1) используются для измерения мощности лазера от нескольких мкВт до нескольких Вт (см. раздел 2.4) . ^{[ 2 ]} Приходящее излучение лазера преобразуется в тепловую энергию на поверхности. ^{[ 3 ]} Это тепловложение создает температурный градиент на датчике. Используя термоэлектрический эффект, напряжение за генерируется счет этого температурного градиента . Поскольку напряжение прямо пропорционально приходящему излучению, оно может быть напрямую связано с мощностью облучения (см. раздел 2.1) .

В отличие от фотодиодов , датчики на термобатареях могут использоваться для широкого спектра от длин волн УФ до МИК ( в зависимости от характеристик поглощающего покрытия на разных длинах волн). ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]} Кроме того, фотодиоды имеют обратное смещение и насыщаются при оптической мощности выше определенного значения (обычно в мВт). ^{[ 6 ]} создание датчиков на термобатареях, пригодных для измерений высокой мощности. ^{[ 2 ]}

Пироэлектрический датчик и калориметр обычно используются для измерения энергии лазерных импульсов. ^{[ 7 ]} Пироэлектрический датчик может измерять энергию от низкой до средней (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 структура

Как показано на рис. 2, лазерный датчик на термобатарее состоит из нескольких термопар, соединенных последовательно, причем спай одного типа (горячий спай при температуре Т ₁ ) подвергается воздействию области поглощения, а спай другого типа (холодный спай при температуре Т ₂ ) подвергается воздействию. к радиатору. Когда лазерный луч попадает на поверхность датчика термобатареи, падающее излучение поглощается слоем покрытия и преобразуется в тепло. Затем это тепло вызывает температурный градиент на датчике, определяемый как

${\frac {dT}{dx}}={\frac {T_{2}-T_{1}}{t}}$ [К/м],

где t — толщина датчика. ^{[ 9 ]}

Из-за термоэлектрического эффекта разница температур приводит к повышению электрического напряжения внутри каждой термопары. Это выходное напряжение прямо пропорционально мощности приходящего излучения. ^{[ 10 ]} Поскольку большое количество термобатарей обычно подключаются последовательно, достигаются напряжения от нескольких мкВ до В.

В целом датчик термобатареи состоит из трех элементов: поглотителя, чувствительного элемента и охлаждающего тела для рассеивания поступающего тепла.

поглотитель

В зависимости от толщины поглощающего слоя датчик термобатареи можно разделить на две категории. ^{[ 11 ]}

Поверхностный поглотитель

У поверхностных поглотителей толщина поглощающего слоя очень мала (0,1–100 мкм), как и общая длина поглощения . ^{[ 11 ]} Он используется для измерения мощности лазеров с большой длиной импульса (обычно для лазеров непрерывного действия). Если лазер с длиной импульса в диапазоне 10 ⁻⁷ – 10 ⁻⁴ sec, датчик может быть поврежден из-за пробоя диэлектрика или термического воздействия. ^{[ 12 ]} В случае термического повреждения тепло выделяется за короткое время и не может рассеяться до прихода следующего импульса. Это приводит к накоплению энергии в тонком слое, что приводит к частичному испарению. ^{[ 11 ]} При пробое диэлектрика пиковая плотность энергии во время импульса достаточно высока, чтобы локально ионизировать поверхность датчика. ^{[ 13 ]}

Объемный поглотитель

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

Рисунок 4: ^{[ 14 ]} Осевой датчик толщиной 0,5 мм

Существует два основных типа лазерных датчиков на термобатареях, которые можно классифицировать в зависимости от геометрического расположения термопар внутри чувствительного элемента.

Радиальный датчик термобатареи/диски термобатареи

Диски термобатарей имеют термопары, нанесенные на алюминиевую пластину радиально, как показано на рис. 3 (а). ^{[ 8 ]} Все термопары электрически соединены последовательно: один спай расположен по окружности освещаемой внутренней области, а другой спай - по 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, где устанавливается разница температур между верхней и нижней поверхностями. Термопары встроены в матрицу и расположены параллельно тепловому потоку, образуя спаи сверху и снизу. ^{[ 8 ]} Такое расположение позволяет уменьшить общую толщину датчика до 0,5 мм (рис. 4). ^{[ 8 ]}

Управление охлаждением/нагревом

Крайне важно рассеять поступающее тепло, чтобы установить стабильный температурный градиент на датчике. ^{[ 15 ]} Следовательно, холодная сторона датчика должна быть термически соединена с радиатором .

Пассивное охлаждение

При этом методе охлаждения холодная сторона датчика монтируется на теплопровод (обычно алюминиевый радиатор), и тепло рассеивается в окружающую среду за счет проводимости (через теплопроводник) и конвекции (поток воздуха). ^{[ 15 ]}

Активное охлаждение

При этом методе охлаждения тепло активно передается в окружающую среду. Обычно это делается путем установки вентилятора на радиаторе детектора с пассивным охлаждением 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] представляет собой отношение напряжения U [В], генерируемого за счет падающей на датчик мощности лазера P [Вт]. 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:

$P={\frac {U}{S}}$ [В].

Эффективная чувствительность зависит от поглощающей способности слоя покрытия. При постоянной мощности падающего лазера больший коэффициент поглощения означает выделение большего количества тепла. ^{[ 16 ]} 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. Его также можно адаптировать к диапазону длин волн или к определенной длине волны.

Время подъема

сигнала Время нарастания — это время, необходимое датчику для достижения 95 процентов полной амплитуды сигнала при воздействии ступенчатой функции мощности падающего лазера. Это зависит от общего термического сопротивления и тепловой емкости датчика. ^{[ 11 ]} Величина этих двух параметров зависит от материалов и геометрии детектора. ^{[ 11 ]} Время нарастания для осевых датчиков обычно короче, чем для радиальных датчиков, поскольку осевые датчики обладают меньшей тепловой массой и термическим 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 ]} Из-за слишком большого излучения могут возникнуть ошибочные измерения или даже выход из строя датчика. ^{[ 12 ]}

Максимальная плотность мощности

Максимальная плотность мощности лазера для датчика определяется порогом лазерного повреждения материала покрытия. ^{[ 13 ]} Пороговое значение зависит от длины волны лазера, длины его импульса и в определенной степени от структуры поглощающей поверхности. ^{[ 13 ]}

Таблица 1 ^{[ 12 ]}
Длительность импульса	т<10 ⁻⁹	10 ⁻⁹<т<10 ⁻⁷	10 ⁻⁷<т< ⁻⁴	т>10 ⁻⁴
Механизм повреждения	Лавинная ионизация	Диэлектрический пробой	Диэлектрический пробой или термическое повреждение	Термическое повреждение
Соответствующая спецификация повреждений	Н/Д	Импульсный	Импульсный и CW	CW

Источники ошибок измерений

Ошибка температуры

Чувствительность датчика зависит от средней температуры датчика. Это связано с температурной зависимостью коэффициента Зеебека (см. раздел 2.1) . ^{[ 18 ]}

Поскольку зависимость квазилинейная, температурную погрешность можно исправить, умножив измеренное значение на зависящий от температуры поправочный коэффициент. ^{[ 19 ]}

Фоновая ошибка

Если температура датчика отличается от температуры окружающей среды, тепло течет непосредственно в окружающую среду, не внося вклад в обнаруженный температурный градиент, что эффективно снижает выходной сигнал датчика. ^{[ 20 ]} Ошибка этого типа составляет порядка нескольких мВт и поэтому значительна 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, вычитая сигнал неосвещенного датчика (измерение в темноте). ^{[ 19 ]}

Приложения

Лазерные датчики на термобатареях находят свое применение в основном там, где необходима чувствительность к широкому спектральному диапазону или где необходимо измерить высокую мощность лазера. Датчики на термобатареях интегрируются в лазерные системы и лазерные источники и используются для спорадического, а также непрерывного мониторинга 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 оснащена резервным блоком измерения мощности. Для таких процедур, как прецизионное разрезание тканей и абляция, мощность лазера можно измерять до операции или даже непрерывно на протяжении всего процесса. Одним из возможных способов интеграции датчика термобатареи в медицинскую систему является использование затвора или отражателя луча (рис. 6), который можно поворачивать на пути луча и выключать на короткие периоды измерения полной мощности лазера. ^{[ 21 ]}

Промышленные системы

Производственные процессы требуют точности и воспроизводимости. Для лазерной обработки материалов мониторинг мощности лазера полезен, поскольку позволяет избежать образования отходов и получить продукцию высокого качества.

Существуют различные способы интегрирования измерения мощности. На рис. 6 показано интегрирование траектории луча за светоделителем. На рис. 7 показан вариант установки детектора за задним зеркалом резонатора лазера для непрерывного мониторинга. Потери луча на дальнейшем пути луча, вызванные, например, ухудшением оптики, не отображаются в конструкции этого типа.

В качестве альтернативы можно использовать детекторы для спорадических измерений на выходе лазерной системы. Обычно в этом случае измеряется полный луч. ^{[ 21 ]}

Рисунок 8: ^{[ 22 ]} Счетчик тепловой мощности Thorlab

Измерители мощности

Для спорадических измерений вне лазерной системы (например, во время технического обслуживания) полезно использовать отдельный измерительный блок. В таких измерителях мощности чувствительный элемент обычно встроен в металлический корпус для обеспечения механической и термической стабильности. Сигнал записывается и обрабатывается в блоке считывания, отображающем измеренную мощность лазера (рис. 8). ^{[ 21 ]}

Сверхбыстрое лазерное измерение

Короткоимпульсные лазеры, которые используются в спектроскопии и оптической связи, можно измерять с помощью датчиков на термобатареях, поскольку они обладают высокими порогами лазерно-индуцированных повреждений, особенно когда они оснащены объемным поглотителем. (см. раздел 2.5) .

Детектор положения

Расположение нескольких датчиков на термобатареях с термической связью, аналогичное конструкции квадрантного фотодиода (рис. 9), может использоваться для определения положения луча, а также мощности луча. Это полезно для выравнивания луча или для процессов, где правильное положение луча имеет решающее значение для высокой производительности. ^{[ 21 ]}

Сравнение различных типов детекторов.

Таблица 2 ^{[ 24 ]}^{[ 25 ]}
Особенность	Термобатарея	Фотодиод	Пироэлектрический	Калориметр
Физический принцип	Термоэлектричество	Комбинация электронов и дырок	Пироэлектричество	Термоэлектричество
Спектральный диапазон	Широкополосный доступ	узкая полоса	узкая полоса	широкополосный доступ
Диапазон мощности	От низкого до среднего	Низкий	Низкая и средняя энергия	Очень высокие энергии
Сигнал	Voltage(V)	Ток (А)	Напряжение (В) или ток (А)	Voltage(V)
Время ответа	Высокий	Низкий	Низкий	Высокий
Чувствительность, зависящая от длины волны	Нет	Да	Нет	Нет
Линейный отклик	Да	Да, до насыщения	--	--
Эффект небольшого изменения угла падения	Незначительный	Значительный	Незначительный	Незначительный

Ссылки

^ «СЕРЫЕ Датчики» .
^ Jump up to: ^а ^б «Спецификация продукта серии C» . Торлабс . 6 мая 2016 года . Проверено 6 мая 2016 г.
^ «Принцип работы» . серый . Проверено 6 мая 2016 г.
^ Башар, доктор Шабир А. (7 мая 2016 г.). «Исследование оксида индия-олова (ITO) для новых оптоэлектронных устройств» . Проверено 7 мая 2016 г.
^ «Измеритель мощности Throlabs серии C» . 6 мая 2016 года . Проверено 6 мая 2016 г.
^ Дж. Вайднер (2009). Интегрированная оптоэлектроника 4, Выпуск 41 . Электрохимическое общество. ISBN 9781566777223 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с « Сравнение пироэлектрических и термобатарей », Норберт Нейман, 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
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж «Новое изобретение измерения мощности теплового лазера», Конференция «Лазеры в производстве», 2015 г., С. Дрёшер, М. Занер, Э. Швитер, Т. Хелблинг и К. Хирольд.
^ Jump up to: ^а ^б Д. Поллок, Дэниел (1985). Термоэлектричество: Теория, Термометрия, Инструмент, Выпуск 852 . АСТМ Интернешнл. ISBN 9780803104099 .
^ «Детекторы мощности лазера gRAY от greenTEG» . gRAY — Детекторы мощности лазера . Проверено 28 апреля 2016 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г «Учебное пособие по технологии термоэлектрических датчиков мощности лазера» . www.newport.com . Проверено 28 апреля 2016 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д «Порог лазерного повреждения» . thorlabs.com .
^ Jump up to: ^а ^б ^с «Повреждения, вызванные лазером» . РП Фотоника .
^ «Б01-СК» . СЕРЫЙ, ЗЕЛЕНЫЙТЕГ .
^ Jump up to: ^а ^б Джон Х. Линхард (2019). Учебник по теплопередаче: 5-е издание . Дувр Паб.
^ Хью Х. Ричардсон, Майкл Т. Карлсон, Питер Дж. Тандлер, Педро Эрнандес и Александр О. Говоров (6 мая 2016 г.). «Экспериментальные и теоретические исследования преобразования света в тепло и эффектов коллективного нагрева в растворах наночастиц металлов» . Нано Летт . 9 (3): 1139–46. дои : 10.1021/nl8036905 . ПМЦ 2669497 . ПМИД 19193041 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Интернет-исправленная версия: (2006–) « Поглощение ».
^ Кенго Кишимото, Масаёси Цукамото и Цуёси Коянаги (6 мая 2016 г.). «Температурная зависимость коэффициента Зеебека и потенциального барьерного рассеяния пленок PbTe n-типа, полученных на нагретых стеклянных подложках методом высокочастотного распыления». Журнал прикладной физики . 92 (9): 5331–5339. дои : 10.1063/1.1512964 .
^ Jump up to: ^а ^б «Теплорегулирование термобатарейных датчиков мощности лазера» (PDF) . серый . 6 мая 2016 года . Проверено 6 мая 2016 г.
^ Jump up to: ^а ^б «Термопары: Теория» . 6 мая 2016 года . Проверено 6 мая 2016 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж «Приложения» (PDF) . Gray.greenteg.com . 18 августа 2015 г.
^ «Измеритель мощности Thorlabs» . thorlabs.com .
^ «Датчик положения» . Gray.greenteg.com .
^ «Термальный датчик против фотодиода» (PDF) . Gray.greenteg.com . 6 мая 2016 года . Проверено 6 мая 2016 г.
^ Руководство по продукту Gentec EO . генетика ЭО. 2014.

[1] «СЕРЫЕ Датчики» .

[:8-2] Jump up to: ^а ^б «Спецификация продукта серии C» . Торлабс . 6 мая 2016 года . Проверено 6 мая 2016 г.

[3] «Принцип работы» . серый . Проверено 6 мая 2016 г.

[4] Башар, доктор Шабир А. (7 мая 2016 г.). «Исследование оксида индия-олова (ITO) для новых оптоэлектронных устройств» . Проверено 7 мая 2016 г.

[5] «Измеритель мощности Throlabs серии C» . 6 мая 2016 года . Проверено 6 мая 2016 г.

[6] Дж. Вайднер (2009). Интегрированная оптоэлектроника 4, Выпуск 41 . Электрохимическое общество. ISBN 9781566777223 .

[:0-7] Jump up to: ^а ^б ^с « Сравнение пироэлектрических и термобатарей », Норберт Нейман, 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

[Geometry-8] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж «Новое изобретение измерения мощности теплового лазера», Конференция «Лазеры в производстве», 2015 г., С. Дрёшер, М. Занер, Э. Швитер, Т. Хелблинг и К. Хирольд.

[:2-9] Jump up to: ^а ^б Д. Поллок, Дэниел (1985). Термоэлектричество: Теория, Термометрия, Инструмент, Выпуск 852 . АСТМ Интернешнл. ISBN 9780803104099 .

[10] «Детекторы мощности лазера gRAY от greenTEG» . gRAY — Детекторы мощности лазера . Проверено 28 апреля 2016 г.

[Newport-11] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г «Учебное пособие по технологии термоэлектрических датчиков мощности лазера» . www.newport.com . Проверено 28 апреля 2016 г.

[:1-12] Jump up to: ^а ^б ^с ^д «Порог лазерного повреждения» . thorlabs.com .

[:3-13] Jump up to: ^а ^б ^с «Повреждения, вызванные лазером» . РП Фотоника .

[14] «Б01-СК» . СЕРЫЙ, ЗЕЛЕНЫЙТЕГ .

[:4-15] Jump up to: ^а ^б Джон Х. Линхард (2019). Учебник по теплопередаче: 5-е издание . Дувр Паб.

[16] Хью Х. Ричардсон, Майкл Т. Карлсон, Питер Дж. Тандлер, Педро Эрнандес и Александр О. Говоров (6 мая 2016 г.). «Экспериментальные и теоретические исследования преобразования света в тепло и эффектов коллективного нагрева в растворах наночастиц металлов» . Нано Летт . 9 (3): 1139–46. дои : 10.1021/nl8036905 . ПМЦ 2669497 . ПМИД 19193041 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[17] ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Интернет-исправленная версия: (2006–) « Поглощение ».

[18] Кенго Кишимото, Масаёси Цукамото и Цуёси Коянаги (6 мая 2016 г.). «Температурная зависимость коэффициента Зеебека и потенциального барьерного рассеяния пленок PbTe n-типа, полученных на нагретых стеклянных подложках методом высокочастотного распыления». Журнал прикладной физики . 92 (9): 5331–5339. дои : 10.1063/1.1512964 .

[:7-19] Jump up to: ^а ^б «Теплорегулирование термобатарейных датчиков мощности лазера» (PDF) . серый . 6 мая 2016 года . Проверено 6 мая 2016 г.

[:6-20] Jump up to: ^а ^б «Термопары: Теория» . 6 мая 2016 года . Проверено 6 мая 2016 г.

[Application-21] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж «Приложения» (PDF) . Gray.greenteg.com . 18 августа 2015 г.

[22] «Измеритель мощности Thorlabs» . thorlabs.com .

[23] «Датчик положения» . Gray.greenteg.com .

[24] «Термальный датчик против фотодиода» (PDF) . Gray.greenteg.com . 6 мая 2016 года . Проверено 6 мая 2016 г.

[25] Руководство по продукту Gentec EO . генетика ЭО. 2014.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]

[ 22 ]

[ 23 ]

[ 24 ]

[ 25 ]