熱電堆光功率傳感器

熱電堆傳感器基于熱電偶。熱電偶由兩種不同的金屬串聯(lián)而成。為了檢測輻射，一個金屬結(jié)通常被涂黑以吸收輻射。該結(jié)相對于另一個未受輻射結(jié)的溫升會產(chǎn)生電壓。這種效應(yīng)是所有熱電偶溫度傳感器的基礎(chǔ)。熱電堆中使用的熱電偶材料通常是鉍和銻，它們具有相對較高的熱電系數(shù)(感應(yīng)電壓響應(yīng)溫差大小的量度)。單個熱電偶通常會產(chǎn)生低輸出電壓，這會導(dǎo)致低檢測率并限制其作為傳感設(shè)備的使用。因此，增加輸出電壓的一種方法是串聯(lián)多個熱電偶結(jié)(通常為 20 到 120 個)。所有“熱”結(jié)都靠近放置以收集輻射，構(gòu)成了熱電堆。以下是熱電堆的典型操作圖。

熱電堆盤由圓形熱電偶陣列組成。光輻射，例如激光束，被產(chǎn)生輸出電壓的盤吸收。圓盤上的熱量在圓盤反面的熱電堆上徑向傳播，在那里它被傳遞到散熱器，該散熱器由風(fēng)扇或水進(jìn)行對流冷卻。由于它們的寬帶吸收，這些設(shè)備在 IR 中非常敏感。因此，必須注意穩(wěn)定他們的視野，因?yàn)樗薪咏覝氐奈矬w(包括人)都會發(fā)出大量紅外線。由于加熱和冷卻過程，熱電堆的響應(yīng)時間非常慢，通常為秒級。由于這個時間限制，熱電堆專門用于測量 CW 或準(zhǔn) CW 輻射源的功率。通過按比例降低材料的熱容量，可以縮短響應(yīng)時間。然而，檢測器的檢測率與熱容量成反比，導(dǎo)致時間響應(yīng)和靈敏度之間的一般權(quán)衡。

由于吸收的所有熱量都流過熱電偶(只要激光束在熱結(jié)的內(nèi)圓內(nèi))，檢測器的響應(yīng)幾乎與光束大小和位置無關(guān)。如果光束靠近內(nèi)圓的邊緣，一些熱電偶會變得比其他熱電偶更熱，但由于測量了所有熱電偶的總和，因此讀數(shù)保持不變。通常，我們指定表面讀數(shù)的均勻性為 ±2% 或更好。

使用熱電堆傳感器測量單發(fā)能量

雖然熱電堆激光功率傳感器主要用于測量功率，但它們也可以測量單發(fā)能量，其中它們集成了隨時間流過圓盤的功率。由于圓盤加熱和冷卻的典型時間為幾秒鐘，因此這些熱傳感器最多只能每隔幾秒鐘測量一次脈沖。因此它們適用于所謂的“單次”測量。盡管傳感器圓盤的響應(yīng)時間較慢，但測量的脈沖有多短沒有限制，因?yàn)闇y量的是脈沖后流經(jīng)圓盤的熱量。

熱電堆盤的類型

沒有一種吸收器可以滿足所有激光功率測量應(yīng)用的需要。多種類型的吸收器可用于不同的應(yīng)用，例如長脈沖 (0.1-10ms)、短脈沖 (<1μs) 和連續(xù)輻射。針對長脈沖和 CW 優(yōu)化的吸收器的特點(diǎn)是采用薄的耐火材料，因?yàn)闊崃靠梢栽诿}沖期間流過涂層并進(jìn)入圓盤。另一方面，短脈沖期間熱量無法流動，所有能量都沉積在表面附近的薄層(通常為 0.1μm)中。這會導(dǎo)致破壞吸收器的表面蒸發(fā)。取而代之的是，使用了部分透明且吸收 50 μm -3 mm 距離的體積吸收器。這將熱量散布到更大的體積上，從而產(chǎn)生更高的能量。

熱電堆的測量范圍從幾十微瓦到千瓦。然而，盤的工作熱范圍是有限的。如果冷熱結(jié)溫度之差超過幾十度，結(jié)的持續(xù)加熱/冷卻會導(dǎo)致結(jié)過早失效。為了適應(yīng)不同的功率范圍，使用了不同厚度和尺寸的圓盤，厚的用于高功率，薄的用于低功率。

圓盤的響應(yīng)時間取決于它們的大小和形狀：較大直徑和較厚的圓盤比薄的小直徑圓盤慢。響應(yīng)時間通常取決于必須在盤的薄吸收器區(qū)域中加熱的材料的質(zhì)量與熱量從同一區(qū)域流出的速度。響應(yīng)時間大約與孔徑成正比，即 50mm 孔徑光盤的速度是 18mm 孔徑光盤的三倍。

熱表面吸收頭

表面吸收器通常由沉積在銅或鋁導(dǎo)熱基板上的光學(xué)吸收耐火材料組成。當(dāng)數(shù)百微秒的長脈沖或連續(xù)激光束落在這種表面吸收器上時，光會被吸收到非常薄的表面層中——通常厚度為 0.1 – 1 微米。盡管光被薄層吸收并在那里轉(zhuǎn)化為熱量，但脈沖足夠長，因此當(dāng)能量沉積到表面層時，熱量也會流出到導(dǎo)熱基板中，因此表面不會升溫過度地。

表面與體積吸收器

當(dāng)測量具有幾十微秒或更短脈沖的激光時，熱量會在短時間內(nèi)沉積，并且不能在脈沖期間流動。因此，在薄表面層中吸收能量的表面吸收劑是不合適的。所有能量都沉積在薄層中，然后該層被蒸發(fā)。在這種情況下，使用體積吸收器。這些傳統(tǒng)上由熱粘合到導(dǎo)熱金屬基板的中性密度玻璃組成。ND 玻璃吸收光的深度為 1-3 毫米，而不是幾分之一微米。因此，即使是沒有熱流的短脈沖，光和熱也會沉積到相當(dāng)深的材料中，因此帶有體積吸收器的功率/能量計能夠承受更高的能量密度——高達(dá) 10 焦耳/平方厘米。