Thermopile-Technologie für thermische Sensoren zur Messung von Laserleistung und -energie.
Thermische Verfahren zur Leistungs- und Energiemessung sind solche, bei denen Strahlungsenergie absorbiert und in Wärme umgewandelt wird, was zu einem Temperaturanstieg im Absorber führt. Die absorbierte Energie wird dann durch eine Funktion gemessen, die den Temperaturgradienten zwischen dem heißen Bereich (wo der Laser auftrifft) und einem kühlen Bereich (wo die erzeugte Wärme abgeführt wird) berücksichtigt. Diese Messung kann mit Hilfe von Thermoelement-Arrays (Thermosäule) durchgeführt werden. Die Temperaturdifferenz erzeugt eine Spannung am Ende jedes einzelnen Thermoelements, und wenn das Array ordnungsgemäß über die Oberfläche des Sensors verteilt ist, ist die resultierende Gesamtspannung proportional zur einfallenden Leistung oder Energie.
Ein großer Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass es keinen Einfluss von Umgebungstemperaturschwankungen auf die Messung gibt, da die erzeugte Spannung nur von der Temperaturdifferenz zwischen dem heißen und dem kalten Bereich abhängt.
Um die erzeugte Wärme abzuführen, muss ein thermischer Sensor in einem Gehäuse platziert werden, der je nach der abzuführenden Wärmemenge durch einfache Konvektion, mit elektrischen Niederspannungslüftern oder wassergekühlt abgeführt werden kann.
Die endgültige Form und die Abmessungen der Köpfe müssen sorgfältig entworfen werden, um die Temperatur des Sensors innerhalb seiner Betriebsgrenzen zu halten.
Thermische Detektoren haben auch ein hohes Maß an inhärent linearem Ansprechverhalten bei der Erhöhung der Leistungspegel (Linearität). Eine Kompensation der geringfügigen Linearitätsabfälle, die an den Arbeitsextremen auftreten, wird im Allgemeinen durch die Verwendung von Thermistoren erreicht.
Die Linearität der LaserPoint-Detektoren ist, dank ihres optimierten thermischen Designs, ausgezeichnet: Das Bild zeigt die Linearität eines nicht kompensierten, luftgekühlten 600-W-Kopfes (Mod A-600-D60-HPB), der bis zu 850 W arbeitet, im Vergleich zu einer NIST-Referenz. Er zeigt nur einen Abfall von 3% bei den Extremwerten, weit über den Spezifikationen.
Ein weiterer starker Punkt, der für thermische Detektoren spricht, ist ihre nahezu vollständige Unabhängigkeit von der Größe und Position des Laserstrahls. Da die erzeugte Wärme vollständig durch die Thermoelemente fließt, unabhängig davon, ob sie kreisförmig (radiale Thermosäulen) oder linear angeordnet sind, wobei die heißen und kalten Bereiche einander gegenüberliegen (axiale Thermosäulen), ergibt sich das Gesamtsignal (Laserleistung) aus der Summe der Beiträge aller Thermoelemente.
Die Ansprechzeit wird durch die thermischen Widerstände, durch die thermischen Kapazitäten und vor allem durch die geometrischen Größen der Sensorscheiben bestimmt. Die intrinsischen Ansprechzeiten der Detektoren werden durch geeignete Beschleunigungsalgorithmen mit LaserPoint Messgeräten deutlich reduziert.
