Termopilhas de alta velocidade

Termopilhas de alta velocidade para a série de sensores Blink

Sensores térmicos de alta velocidade baseados nestas tecnologias muito novas e patenteadas desenvolvidas pela Laser Point são capazes de medir a energia de impulsos de laser único com frequências de repetição até à gama de MHz, adicionando a possibilidade de também medir a potência de saída de cw-lasers.

Além disso, a natureza térmica destes sensores habilitam a capacidade de trabalhar num espectro de banda larga, de UV a THz, bem como a possibilidade de operar numa ampla faixa (10-3-102 W/cm2) de densidades de potência óptica média incidente da radiação laser, sem a necessidade de adopção de filtros ópticos ou outras precauções.

Os dispositivos termoelétricos são subdivididos em dois grupos diferentes: os dispositivos que utilizam o efeito termoelétrico longitudinal padrão induzido na junção de diferentes tipos de materiais e os dispositivos baseados no efeito de tensão transversal induzida por laser (LITV).

Os sensores baseados no efeito termoelétrico longitudinal padrão são comumente projetados adotando múltiplos termopares eletricamente interconectados, que podem medir um fluxo de calor axialmente através de um substrato adequado. Este tipo de sensores que utilizam o efeito termoelétrico padrão são uma evolução do projeto comum da termopilha radial. Trabalhando sobre um princípio térmico, a região de aceitação espectral deste tipo de sensores ainda é banda larga. No entanto, o design térmico deste tipo de sensores só permite tempos de resposta relativamente lentos (atualmente superiores a 100 ms). Além disso, o projeto de múltiplos termopares axiais implica muitas vezes uma cobertura escassa da área ativa do sensor.

Os sensores que utilizam o efeito de tensão transversal induzida por laser (LITV) também transduzem um gradiente térmico em um sinal elétrico. As películas finas de materiais adequados depositados podem mostrar uma resposta termoelétrica transversal à irradiação laser. Isto é, se um gradiente térmico estiver presente ao longo da direção normal para a superfície da película, uma resposta termoelétrica é gerada, longitudinalmente ao plano da superfície da película. A adopção do efeito de LITV tem a vantagem intrínseca de mostrar uma eficiência boa da conversão de um sinal térmico em uma tensão elétrica, ao mostrar tempos de resposta na escala de tempo do nanossegundo. Outra vantagem dos dispositivos baseados em LITV em relação aos dispositivos termoelétricos padrão é a cobertura uniforme da área ativa, em relação a um projeto baseado em termopares dispostos axialmente.

A vantagem dos sensores que utilizam o efeito LITV em relação aos sensores piroelétricos e fotodiodos para a medição da radiação a laser é a combinação de um tempo de resposta rápido geral, aceitação espectral de banda larga, elevado limiar de saturação por irradiação direta de laser e a possibilidade da medição tanto de fontes de laser pulsadas quanto cw.

Linearidade da resposta vs potência

A resposta do sensor Blink sob radiação cw-laser, até cerca de 50 W, é mostrada na figura abaixo. Os dados mostram o sinal de saída do detector Blink sem qualquer pós-linearização. A linha plotada indica o ajuste linear, que quantifica a linearidade do detector dentro da faixa medida com um coeficiente R de 0,9998. Ter uma boa linearidade é crucial para a calibragem do detector uma vez fabricado.

Linearidade da resposta vs energia de impulso

A resposta do detector aos impulsos de energia e duração de impulso diferentes é mostrada na figura abaixo. Na mesma figura, também é mostrada a independência das medições de energia da duração de pulso τP, que por sua vez indica a independência das medições da densidade de potência.

As medições da energia dos impulsos incidentes EP também são independentes do tamanho do ponto e a faixa de energia dos impulsos detectados varia de 10 uJ a dezenas de mJ.

Tempo de resposta

Podem ser utilizadas diferentes definições para o tempo de resposta. Usamos aqui a definição de tempo de resposta de 0-100% (τ0-100), que é o tempo necessário para o detector restaurar a saída do sinal para o nível da linha de base, após o impulso do laser incidente ser encerrado. Tal definição foi escolhida porque fmax = 1/τ0-100 define a frequência máxima mensurável de um trem de impulsos de laser pelo detector.

Na foto abaixo, é exibida a versão de Resposta Rápida do detector num trem de impulsos de laser com duração de impulso de 4ns e com taxa de repetição de 1 MHz.

Resposta óptica e limiar de dano

A natureza térmica do efeito LITV permite que o detector trabalhe em uma faixa de comprimento de onda de banda larga de radiação incidente, desde que a radiação eletromagnética seja absorvida e transformada em calor pelo revestimento de absorção.

Uma característica importante do revestimento é a sua planaridade espectral, que é de grande importância para uma calibragem simples do detector. A reflectância óptica do detector é mostrada na imagem. Dentro da escala inteira da medida, isto é de 250 nanômetro a 1100 nanômetro, a curva da reflectância mostra um comportamento plano e relativamente plano total.

Verificou-se que o limiar de dano do detector na sua configuração mais rápida, ou seja, com largura de banda de 1 MHz, foi maior que 30 mJ/cm2/pulso para impulsos de 200 ns.