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高功率激光器测量-热电堆(Thermopile)探测器
发布时间:2020-08-20   点击次数:279次

高功率激光器测量-热电堆(Thermopile)探测器

激光功率(或能量)是表征激光器最重要的参数,最主要的探测器类型有光电二极管,热电堆探测器和热释电探测器。除此以外,特殊应用还有光电倍增管,雪崩二极管等。常见高功率激光器(YAG, CO2等)功率测量的最主要设备就是热电堆探测器。热电堆探测器的主要优点是:高功率(uW-KW)及响应波段宽(紫外到>10um),响应范围为整个红外区域,室温下工作,使用方便。而且整个响应区域,响应度曲线整体平整,随波长变化不大,特别适用于宽波段光学测量。它的劣势是响应速度慢,低功率(uW级)测量准确性不高。

热电堆(Thermopile)探测器原理

热电堆传感器由两种不同金属连接在一起,是利用温差电现象制成的一种器件,在热端和冷端有温差时,回路中会产生温差电动势,其数值与辐射量有关。激光功率照射热电堆的导热盘,测量出的温度变化正比于入射的光功率。由于所有的热量都可以被热电堆吸收,检测器的响应几乎是独立于激光光束大小和位置。Newport的探测器均匀性达到<±2%.

 

热电堆盘类型(表面与体吸收结构)

没有一种吸收体符合所有激光功率测量的需求。长脉冲(0.1-10ms)和连续波的吸收体,其特征是薄(一般为0.1µm)和耐火材料,因为在脉冲持续时间内,热可以通过涂层进入到导热盘。而测量短脉冲(<1us)的激光不能采用上述结构,所有的能量沉积在一个薄的表面层,这会导致导热盘表面的破坏和蒸发。

 

热电堆可以测量激光功率从几十微瓦到千瓦不等。然而,导热盘的测量范围是有限的。如果两种材料热和冷的交界处的温度差异超过几十度,不断加热/冷却会导致器件过早损坏。因此,为了适应不同的功率测量范围,需要选择不同厚度和大小的导热盘,厚的用于高功率激光测量,薄的用于低功率。导热盘的响应时间是取决于它们的大小和形状:直径较大和较厚的导热盘比薄和小的导热盘响应慢。

 

测量短脉冲激光时(几十个微秒或甚至更短),热沉积在短时间内不能流入导热盘。因此,吸收的能量在一个薄的表面层是不合适的。在这种情况下,使用体吸收结构。中性密度玻璃吸收光的深度为1-3毫米而不是微米级。因此,即使短脉冲在没有热量流动,光和热沉积到相当的深度,因此体吸收结构能够承受更高的能量密度——达10焦耳/平方厘米。

 

高功率热电堆探测器的标定方法和准确性

高功率(5KW)热电堆探测器Newport 919P-5KW-50是使用相对较低功率的激光器150-300W进行标定。使用这样的低功率激光进行标定,而当使用高功率测量时,就会让人想到关于标定精度的问题。通过热电堆探测器的工作原理可知,由于它是电压产生装置,因此电压输出必须是线性的。如果在低功率的校准是准确的,在高功率它将保持较高的准确性,919P-5KW-50的准确度在±5%以上。

 

使用热电堆探测器来测量单脉冲能量

虽然热电堆激光功率探测器主要用于测量功率,其实它还可测量单脉冲能量。由于导热盘加热和冷却下来的时间通常是几秒钟,这种热探测器只能测量每几秒钟一个的单一脉冲,因此它仅仅适用于所谓的“Single shot”的测量,而且测量的脉冲宽度是没有限制的。

 

Newport 919P-020-12响应度曲线

响应范围为整个红外区域,且响应度随波长变化极小。测试结果见下图。

 

 

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