High Speed-Thermopiles für die Blink-Sensorserie

Hochgeschwindigkeits-Thermosensoren, die auf dieser neuen, von LaserPoint entwickelten und patentierten Technologie basieren, sind in der Lage, die Energie einzelner Laserpulse mit Wiederholungsfrequenzen bis in den MHz-Bereich zu messen, ebenso wie die Ausgangsleistung von cw-Lasern.

Darüber hinaus ermöglicht es die thermische Beschaffenheit des Sensors in einem Breitbandspektrum von UV bis THz zu arbeiten, sowie die Möglichkeit, in einem breiten Bereich (10-3-102 W/cm2) der einfallenden mittleren optischen Leistungsdichten der Laserstrahlung zu arbeiten, ohne dass optische Filter genötigt werden oder andere Vorkehrungen getroffen werden müssen.

Thermoelektrische Vorrichtungen werden in zwei verschiedene Gruppen unterteilt: Vorrichtungen, die den standardmäßigen longitudinalen thermoelektrischen Effekt nutzen, der an der Verbindungsstelle verschiedener Arten von Materialien induziert wird, und Vorrichtungen, die auf dem Effekt der laserinduzierten Querspannung (LITV) basieren.

Sensoren, die auf dem standardmäßigen longitudinalen thermoelektrischen Effekt basieren, werden üblicherweise unter Verwendung mehrerer elektrisch miteinander verbundener Thermoelemente entworfen, die einen Wärmefluss axial über ein geeignetes Substrat messen können. Diese Art von Sensoren, die auf dem thermoelektrischen Effekt basieren, sind eine Weiterentwicklung des üblichen radialen Thermopile-Designs. Da sie nach einem thermischen Prinzip arbeiten, ist der spektrale Akzeptanzbereich dieser Art von Sensoren immer noch breitbandig. Das thermische Design dieser Art von Sensoren erlaubt jedoch nur relativ langsame Ansprechzeiten (derzeit mehr als 100 ms). Darüber hinaus impliziert das Design von mehrfachen axialen Thermoelementen oft eine knappe Abdeckung der aktiven Fläche des Sensors.

Sensoren, die den Effekt der laserinduzierten Transversalspannung (LITV) nutzen, wandeln ebenfalls einen thermischen Gradienten in ein elektrisches Signal um. Dünne Schichten aus abgeschiedenen geeigneten Materialien können eine transversale thermoelektrische Reaktion auf Laserstrahlung zeigen. Das heißt, wenn ein thermischer Gradient entlang der Normalen zur Schichtoberfläche vorhanden ist, wird eine thermoelektrische Reaktion längs zur Ebene der Schichtoberfläche erzeugt. Die Anwendung des LITV-Effekts hat den inhärenten Vorteil, dass er einen guten Umwandlungswirkungsgrad eines thermischen Signals in eine elektrische Spannung zeigt, während er Reaktionszeiten im Nanosekundenbereich aufweist. Ein weiterer Vorteil der auf dem LITV-Effekt basierenden Bauelemente gegenüber thermoelektrischen Standardbauelementen ist die gleichmäßige Abdeckung der aktiven Fläche im Vergleich zu einem Design, das auf axial angeordneten Thermoelementen basiert.

Der Vorteil von Sensoren, die den LITV-Effekt gegenüber pyroelektrischen Sensoren und Fotodioden für die Laserstrahlungsmessung nutzen, liegt in der Kombination aus einer insgesamt schnellen Ansprechzeit, einer breitbandigen spektralen Akzeptanz, einer hohen Sättigungsschwelle für direkte Laserbestrahlung und der Möglichkeit, sowohl gepulste als auch cw-Laserquellen zu messen.

Linearität vs Leistung

Die Reaktion des Blink-Sensors unter cw-Laserstrahlung, bis etwa 50 W, ist im Bild unten dargestellt. Die Daten zeigen das Ausgangssignal des Blink-Detektors ohne jegliche Nachlinearisierung. Die aufgetragene Linie zeigt die lineare Anpassung, die die Linearität des Detektors innerhalb des Messbereichs mit einem R-Koeffizienten von 0,9998 quantifiziert. Eine gute Linearität ist entscheidend für die Kalibrierung des Detektors nach seiner Herstellung.

Linearität der Antwort vs. Pulsenergie

Die Reaktion des Detektors auf Pulse mit unterschiedlicher Energie und dauer ist in der Abbildung unten dargestellt. In der gleichen Abbildung ist auch die Unabhängigkeit der Energiemessungen von der Pulsdauer τP dargestellt, was wiederum die Unabhängigkeit der Messungen von der Leistungsdichte anzeigt.

Die Messung der Energie der einfallenden Pulse EP ist ebenfalls unabhängig von der Spotgröße und der Energiebereich der detektierten Pulse und reicht von 10 uJ bis zu einigen zehn mJ.

Reaktionszeit

Für die Antwortzeit können verschiedene Definitionen verwendet werden. Wir verwenden hier die Definition der Ansprechzeit von 0-100% (τ0-100), d.h. die Zeit, die der Detektor benötigt, um das Ausgangssignal nach Beendigung des einfallenden Laserpulses wieder auf das Niveau der Grundlinie zu bringen. Diese Definition wurde gewählt, weil fmax = 1/τ0-100 die maximal messbare Frequenz einer Folge von Laserpulsen durch den Detektor definiert.

Im unteren Bild ist die schnelle Reaktion des Detektors auf eine Folge von Laserpulsen mit einer Pulsdauer von 4ns und einer Wiederholungsrate von 1 MHz dargestellt.

Optische Reaktion und Zerstörschwelle

Die thermische Natur des LITV-Effekts ermöglicht es dem Detektor, in einem breitbandigen Wellenlängenbereich der einfallenden Strahlung zu arbeiten, solange die elektromagnetische Strahlung absorbiert und durch die Absorptionsbeschichtung in Wärme umgewandelt wird.

Eine wichtige Eigenschaft der Beschichtung ist ihre spektrale Homogenität, die für eine einfache Kalibrierung des Detektors von großer Bedeutung ist. Das optische Reflexionsvermögen des Detektors ist im Bild dargestellt. Innerhalb des gesamten Messbereichs, d.h. von 250 nm bis 1100 nm, zeigt die Reflexionskurve ein glattes und insgesamt relativ flaches Verhalten.

Es wurde festgestellt, dass die Zerstörschwelle des Detektors in seiner schnellsten Konfiguration, d.h. mit 1 MHz Bandbreite, größer als 30 mJ/cm2/Puls für Pulse von 200 ns war.

Blink Serie - Allgemeine Absorptionskurven