高功率激光器測量-熱電堆（Thermopile）探測器

激光功率（或能量）是表征激光器重要的參數(shù),，主要的探測器類型有光電二極管,，熱電堆探測器和熱釋電探測器。除此以外,，特殊應(yīng)用還有光電倍增管,，雪崩二極管等。常見高功率激光器（YAG, CO₂等）功率測量的主要設(shè)備就是熱電堆探測器,。熱電堆探測器的主要優(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,，隨波長變化不大,，特別適用于寬波段光學(xué)測量。它的劣勢是響應(yīng)速度慢,，低功率（uW級(jí)）測量準(zhǔn)確性不高,。

熱電堆（Thermopile）探測器原理

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，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)）

沒有一種吸收體符合所有激光功率測量的需求。長脈沖（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),，熱可以通過涂層進(jìn)入到導(dǎo)熱盤,。而測量短脈沖（<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),。

熱電堆可以測量激光功率從幾十微瓦到千瓦不等,。然而，導(dǎo)熱盤的測量范圍是有限的,。如果兩種材料熱和冷的交界處的溫度差異超過幾十度,，不斷加熱/冷卻會(huì)導(dǎo)致器件過早損壞。因此,，為了適應(yīng)不同的功率測量范圍,，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,。

高功率熱電堆探測器的標(biāo)定方法和準(zhǔn)確性

高功率（5KW）熱電堆探測器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)使用高功率測量時(shí),，就會(huì)讓人想到關(guān)于標(biāo)定精度的問題。通過熱電堆探測器的工作原理可知,，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。

使用熱電堆探測器來測量單脈沖能量

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

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)度隨波長變化極小,。測試結(jié)果見下圖,。

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