Termopil lasersensor
Termopillasersensorer (Fig 1) används för att mäta lasereffekt från några µW till flera W ( se avsnitt 2.4) . Den inkommande strålningen från lasern omvandlas till värmeenergi vid ytan. Denna värmeinmatning ger en temperaturgradient över sensorn. Genom att använda den termoelektriska effekten genereras en spänning av denna temperaturgradient . Eftersom spänningen är direkt proportionell mot den inkommande strålningen kan den vara direkt relaterad till bestrålningseffekten ( se avsnitt 2.1) .
Till skillnad från fotodioder kan termostapelsensorer användas för ett brett spektrum av våglängder från UV till MIR (beroende på egenskaperna hos absorptionsbeläggningen vid olika våglängder). Vidare är fotodioder omvänt förspända och mättade för optiska effekter över ett visst värde (vanligtvis i mW), vilket gör termostapelsensorer lämpliga för mätningar med hög effekt.
Pyroelektrisk sensor och kalorimeter används vanligtvis för att mäta energin hos laserpulser. Pyroelektrisk sensor kan mäta låga till medelstora energier (mJ till J ) och är benägna att få mikrofoniska effekter . Kalorimetrar kan mäta höga energier (mJ till kJ) men har långa svarstider.
Arbetsprincip och struktur
Som visas i Fig. 2 består en termopellasersensor av flera termoelement kopplade i serie med en kopplingstyp (het koppling vid temperatur T 1 ) exponerad för ett absorptionsområde och den andra kopplingstypen (kall koppling vid temperatur T 2 ) exponeras till en kylfläns. När en laserstråle träffar ytan på en termostapelsensor absorberas den infallande strålningen i beläggningsskiktet och omvandlas till värme. Denna värme inducerar sedan en temperaturgradient över sensorn given som
[K/m],
där t är sensorns tjocklek.
På grund av den termoelektriska effekten orsakar temperaturskillnaden att en elektrisk spänning byggs upp inom varje termoelement. Denna utspänning är direkt proportionell mot effekten av den inkommande strålningen. Eftersom ett stort antal termoplar vanligtvis är seriekopplade, uppnås spänningar på flera µV till V.
Generellt sett består en termostapelsensor av tre element: en absorbator, sensorelementet och en kylkropp för att avleda den inkommande värmen.
Absorbator
Beroende på tjockleken på absorptionsskiktet kan termostapelsensorn delas in i två kategorier.
Ytabsorbent
För ytabsorbenter är tjockleken på absorptionsskiktet mycket tunn (0,1 – 100 µm) och likaså den totala absorptionslängden . Den används för effektmätningar av lasrar med lång pulslängd (vanligtvis för CW-laser). Om en laser med pulslängd inom intervallet 10 −7 – 10 −4 sek används kan sensorn skadas av antingen dielektriskt genombrott eller termiska effekter. Vid termisk skada avsätts värme på kort tid och kan inte avledas förrän nästa puls kommer. Detta leder till en ansamling av energi i ett tunt lager som leder till partiell förångning. För dielektriskt genombrott är toppenergitätheten under en puls tillräckligt hög för att lokalt jonisera sensorytan.
Volymabsorbent
För att skydda sensorn från skador av korta optiska pulser används volymabsorbenter med absorptionslängder i storleksordningen millimeter. Detta gör att volymabsorbenter kan motstå högre pulsenergitätheter, eftersom den optiska kraften absorberas över ett stort materialdjup.
Sensorgeometri
Det finns två huvudtyper av termostapellasersensorer som kan klassificeras enligt det geometriska arrangemanget av termoelementen inuti sensorelementet
Radiell termopilsgivare/Termopilskivor
Termopålskivor har termoelement avsatta på en aluminiumplatta i ett radiellt arrangemang som visas i fig 3(a). Alla termoelement är elektriskt seriekopplade med en koppling vid omkretsen av det inre området som är upplyst och den andra kopplingen vid den yttre omkretsen. Absorptionsbeläggningen i det upplysta området omvandlar strålning till värme som strömmar radiellt utåt och genererar en temperaturgradient mellan inre och yttre ring och därmed en termoelektrisk spänning.
Axial termostapelgivare
Fig 3(b) visar en tvärsnittsvy av den axiella sensorn där temperaturskillnaden är etablerad mellan de övre och undre ytorna. Termoelement är inbäddade i en matris och inriktade parallellt med värmeflödet och bildar förbindelser upptill och nedtill. Detta arrangemang tillåter en minskning av den totala sensortjockleken till 0,5 mm (fig 4).
Kyla/Värmehantering
Det är avgörande att avleda den inkommande värmen för att etablera en stabil temperaturgradient över sensorn. Därför måste den kalla sidan av sensorn vara termiskt kopplad till en kylfläns .
Passiv kylning
I denna metod för kylning monteras den kalla sidan av sensorn på en värmeledare (vanligtvis en kylfläns av aluminium), och värmen avleds till omgivningen genom ledning (genom värmeledare) och konvektion (luftflöde).
Aktiv kylning
I denna metod för kylning överförs värmen aktivt till omgivningen. Detta görs vanligtvis genom att montera en fläkt på kylflänsen på en passivt kyld detektor eller genom att pumpa vatten genom ett kanalsystem för att kyla sensorn. Det föredragna valet beror på mängden värme som ska avledas och därmed på detektoreffekten.
Egenskaper
Känslighet
Känsligheten S [V/W] är förhållandet mellan spänningen U [V] som genereras på grund av den infallande lasereffekten P [W] på sensorn. Den genererade spänningen beror på Seebeck-koefficienten för det termoelektriska materialet; därför är det en materialspecifik konstant. Den infallande effekten kan beräknas genom att mäta sensorspänningen och använda formeln:
[W].
Den effektiva känsligheten beror på beläggningsskiktets absorptionsegenskaper. För konstant infallande lasereffekt innebär en högre absorptionskoefficient att mer värme genereras vilket leder till en ökning av utspänningen.
Spektralområde
Spektralområdet beror på beläggningsmaterialets absorptionsegenskaper. Typiskt önskas ett platt absorptionsspektrum över ett brett våglängdsområde. Den kan också skräddarsys för ett våglängdsområde eller till en viss våglängd.
Stigtid
Signalens stigtid är den tid som krävs av sensorn för att nå 95 procent av hela signalamplituden när den utsätts för en stegfunktion av infallande lasereffekt. Det beror på sensorns totala termiska resistans och termisk kapacitans. Storleken på dessa två parametrar beror på detektormaterial och geometri. Stigtiden för axiella sensorer är vanligtvis kortare än för radiella sensorer eftersom de axiella sensorerna har lägre termisk massa och termiskt motstånd. Skillnaden kan uppgå till en faktor 5 till 10 och visas i fig 5.
Maximal kraft
Den maximala effekten som kan mätas exakt beror på typen av sensor, dess materialegenskaper och vilken typ av kylning som används ( se avsnitt 1.3) . Felaktiga mätningar eller till och med försämring av sensorn kan resultera på grund av för stor instrålning.
Maximal effekttäthet
Den maximala lasereffekttätheten för sensorn ges av den laserinducerade skadatröskeln för beläggningsmaterialet. Tröskelvärdet beror på laserns våglängd, dess pulslängd och i viss utsträckning på strukturen hos den absorberande ytan
| Pulsvaraktighet | t<10 −9 | 10 −9 <t<10 −7 | 10 −7 <t< −4 | t>10 −4 |
|---|---|---|---|---|
| Skademekanism | Lavinjonisering | Dielektriskt haveri | Dielektriskt haveri eller termisk skada | Termisk skada |
| Relevant skadespecifikation | N/A | Pulserande | Pulserad och CW | CW |
Källor till mätfel
Temperaturfel
Sensorns känslighet varierar med sensorns medeltemperatur. Detta beror på temperaturberoendet för Seebeck-koefficienten (se avsnitt 2.1) .
Eftersom beroendet är kvasilinjärt kan temperaturfelet korrigeras genom att multiplicera det uppmätta värdet med en temperaturberoende korrektionsfaktor
Bakgrundsfel
Om givartemperaturen skiljer sig från omgivningstemperaturen flödar värme direkt till omgivningen utan att bidra till den detekterade temperaturgradienten och reducerar därför givareffekten effektivt. Denna typ av fel är i storleksordningen några mW och är således signifikant endast vid låga infallande effekter
Bakgrundsfelet kan minimeras genom att hålla sensorn vid omgivningstemperatur och undvika konvektiva luftflöden. Det kan också korrigeras genom att subtrahera signalen från en icke-upplyst sensor (mörkmätning).
Ansökningar
Termopillasersensorer används främst där känslighet för ett brett spektralområde behövs eller där höga lasereffekter behöver mätas. Termopilsensorer är integrerade i lasersystem och laserkällor och används för sporadisk såväl som kontinuerlig övervakning av lasereffekt, t.ex. i återkopplingsslingor. Några av applikationerna är
Medicinska system
Enligt EU-standard (EN6001-1-22) måste alla medicinska lasersystem vara utrustade med en redundant effektmätningsenhet. För procedurer som exakt vävnadsskärning och ablation kan lasereffekten mätas före operation eller till och med kontinuerligt under hela processen. Ett möjligt sätt att integrera en termostapelsensor i ett medicinskt system är att använda en slutare eller strålreflektor (fig 6) som kan fällas in i och ut ur strålbanan under korta mätperioder av den fulla lasereffekten.
Industriella system
Tillverkningsprocesser kräver precision och reproducerbarhet. För lasermaterialbearbetning är övervakningen av lasereffekt fördelaktig eftersom det kan undvika skrotproduktion och ge produkter av hög kvalitet.
Det finns olika sätt att integrera en effektmätning. I fig 6 visas integrationen i strålbanan bakom en stråldelare. Fig. 7 illustrerar möjligheten att montera detektorn bakom bakspegeln i en laserkavitet för kontinuerlig övervakning. Strålförluster längre ner i strålgången, orsakade av t.ex. en försämring av optiken, kartläggs inte i denna typ av arrangemang.
Som ett alternativ kan detektorer användas för sporadiska mätningar vid lasersystemets utgång. Vanligtvis mäts hela strålen i detta fall.
Effektmätare
För sporadiska mätningar utanför lasersystemet (t.ex. under underhåll) är en separat mätenhet fördelaktig. För en sådan effektmätare är sensorelementet vanligtvis integrerat i ett metallhus för mekanisk och termisk stabilitet. Signalen registreras och bearbetas i en avläsningsenhet som visar den uppmätta lasereffekten (fig 8).
Ultrasnabb lasermätning
Kortpulsade lasrar som används i spektroskopi och optisk kommunikation kan mätas med termostapelsensorer eftersom de har höga trösklar för laserinducerade skador, speciellt när de är utrustade med en volymabsorbator. (se avsnitt 2.5) .
Positionsdetektor
Ett arrangemang av flera termiskt kopplade termostapelsensorer liknande en kvadrantfotodioddesign (fig 9) kan användas för att detektera strålens position såväl som stråleffekt. Detta är användbart för strålinriktningsändamål eller för processer där en korrekt strålposition är avgörande för högt produktionsutbyte.
Jämförelse mellan olika typer av detektorer.
| Funktion | Termopil | Fotodiod | Pyroelektrisk | Kalorimeter |
|---|---|---|---|---|
| Fysisk princip | Termoelektricitet | Elektronhålskombination | Pyro el | Termoelektricitet |
| Spektralområde | Bredband | smalt band | smalt band | bredband |
| Power Range | Låg till medium | Låg | Låg till medelhög energi | Mycket höga energier |
| Signal | Spänning (V) | Ström (A) | Spänning (V) eller Ström (A) | Spänning (V) |
| Respons tid | Hög | Låg | Låg | Hög |
| Våglängdsberoende känslighet | Nej | Ja | Nej | Nej |
| Linjär respons | Ja | Ja, upp till mättnad | -- | -- |
| Effekt av liten variation av infallsvinkeln | Försumbar | Signifikant | Försumbar | Försumbar |