Termopilas de alta velocidad

Termopilas de alta velocidad para la serie de sensores Blink

Los sensores térmicos de alta velocidad basados en estas nuevas tecnologías patentadas desarrolladas por Laser Point, pueden medir la energía de pulsos láser aislados con frecuencias de repetición que pueden llegar a los MHz, añadiendo la posibilidad de medir también la potencia de salida de los láseres cw.

Además, la naturaleza térmica del sensor habilita la capacidad de trabajar en un espectro de banda ancha, de UV a THz así como la posibilidad de trabajar en un amplio rango (10-3-102 W/cm2) de densidades medias de potencia óptica incidente de la radiación láser, sin necesidad de adoptar filtros ópticos ni otras precauciones.

Los dispositivos termoeléctricos se subdividen en dos grupos distintos: los dispositivos que usan el efecto termoeléctrico longitudinal estándar inducidos en la juntura de distintos tipos de materiales y los dispositivos basados en el efecto de Voltaje Transversal Inducido por Láser (LITV).

Los sensores basados en el efecto termoeléctrico longitudinal estándar normalmente se diseñan utilizando varios termopares eléctricamente interconectados, que pueden medir un flujo de calor en sentido axial a través de un sustrato adecuado. Este tipo de sensores, que usan el efecto termoeléctrico estándar, son una evolución del diseño radial común de las termopilas. Trabajando conforme a un principio térmico, la región de absorción espectral de este tipo de sensores sigue siendo de banda ancha. Sin embargo, el diseño térmico de este tipo de sensores solo permite tiempos de respuesta relativamente lentos (actualmente superiores a 100 ms). Además, el diseño de varios termopares axiales a menudo implica una escasa cobertura del área activa del sensor.

Los sensores que usan el efecto de Voltaje Transversal Inducido por Láser (LITV) también transducen un gradiente térmico en una señal eléctrica. Unas finas películas de materiales adecuados depositados pueden mostrar una respuesta termoeléctrica transversal a la irradiación láser. Es decir, si hay un gradiente térmico siguiendo la dirección normal a la superficie de la película, se genera una respuesta termoeléctrica, longitudinal al plano de la superficie de la película. La adopción del efecto LITV tiene la ventaja intrínseca de mostrar una buen eficiencia de conversión de una señal térmica en un voltaje eléctrico, mientras muestra tiempos de respuesta en una escala temporal de nanosegundos. Otra ventaja de los dispositivos basados en LITV sobre los dispositivos termoeléctricos estándar es la cobertura uniforme del área activa, con respecto a un diseño basado en termopares en disposición axial.

La ventaja de los sensores que usan el efecto LITV sobre los sensores piroeléctricos y fotodiodos para la medición de la radiación láser está en la combinación de un tiempo general de respuesta rápido, absorción espectral de banda ancha, alto umbral de saturación para una irradiación láser directa y la posibilidad de medir fuentes pulsadas así como fuentes láser cw.

Linealidad de la respuesta frente a la potencia

La respuesta del sensor Blink bajo radiación láser cw, hasta unos 50 W, se muestra en la siguiente imagen. Los datos muestran la señal de salida del detector Blink sin ninguna post-linealización. La línea trazada indica el ajuste lineal, que cuantifica la linealidad del detector dentro del rango medido con un coeficiente R de 0,9998. Tener una buena linealidad es crucial para la calibración del detector una vez fabricado.

Linealidad de la respuesta frente a la energía

La respuesta del detector a diferentes pulsos de energía y la duración de los pulsos se muestra en la siguiente imagen. En la misma figura, se muestra también cómo las mediciones de energía son independientes de la duración τP de pulso, que a su vez son independientes de las mediciones de la densidad de potencia.

La medición de la energía de los pulsos incidentes EP es también independiente del tamaño de la zona, y el rango de energía de los pulsos detectados va de 10 uJ hasta decenas de mJ.

Tiempo de respuesta

Pueden usarse distintas definiciones para el tiempo de respuesta. Aquí usamos la definición del tiempo de respuesta 0-100 % (τ0-100), que es el tiempo que el detector necesita pra restaurar la salida de la señal al nivel de la línea base, después de que termine el pulso láser incidente. Se eligió esta definición porque fmax = 1/τ0-100 define la frecuencia máxima de un tren de pulsos láser que el detector puede medir.

En la siguiente imagen, se muestra la respuesta rápida del detector de un tren de pulsos láser con pulsos de duración de 4 ns y con una frecuencia de repetición de 1 MHz.

Respuesta óptica y umbral de daño

La naturaleza térmica del efecto LITV permite al detector trabajar en un rango de longitudes de onda de radiación incidente de banda ancha, mientras la radiación electromagnética es absorbida y transformada en calor por el recubrimiento de absorción.

Una importante característica del recubrimiento es su planitud espectral, que es de gran importancia para una simple calibración del detector. En la imagen se muestra la reflectancia óptica del detector. Dentro de todo el rango de medición, p.ej., de 250 nm a 1100 nm, la curva de reflectancia muestra un comportamiento liso y en general relativamente plano.

Se encontró que el umbral de daño del detector en su configuración más rápida, p.ej. con un ancho de banda de 1 MHz, era mayor de 30 mJ/cm2/pulso para pulsos de 200 ns.