Высокоскоростные термопары для датчиков серии Blink

Высокоскоростные тепловые датчики, основанные на этой совершенно новой запатентованной технологии, разработанной Laser Point, способны измерять энергию одиночных лазерных импульсов с частотами повторения до диапазона в МГц, добавляя возможность также измерять выходную мощность непрерывных лазеров.

Кроме того, тепловая природа датчика обеспечивает возможность работы в широкополосном спектре, от УФ до ТГц, а также возможность работы в широком диапазоне (10-3-102 Вт / см2) падающих средних плотностей оптической мощности лазерного излучения без необходимости использования оптических фильтров или других мер предосторожности.

Термоэлектрические устройства подразделяются на две различные группы: устройства, использующие стандартный продольный термоэлектрический эффект, индуцируемый на стыке различных типов материалов, и устройства, основанные на эффекте лазерно-индуцированного поперечного напряжения (LITV).

Датчики, основанные на стандартном продольном термоэлектрическом эффекте, обычно проектируются с использованием нескольких электрически соединенных между собой термопар, которые могут измерять тепловой поток в осевом направлении через подходящую подложку. Этот тип датчиков, использующих стандартный термоэлектрический эффект, является развитием общей конструкции радиальных термопар. Работая по тепловому принципу, спектральная приемная область таких датчиков остается широкополосной. Тем не менее, тепловая конструкция датчиков этого типа допускает только относительно низкое время отклика (в настоящее время более 100 мс). Более того, конструкция нескольких осевых термопар часто подразумевает недостаточное покрытие активной области датчика.

Датчики, использующие эффект лазерно-индуцированного поперечного напряжения (LITV), также преобразуют тепловой градиент в электрический сигнал. Тонкие пленки с напылением из подходящих материалов могут проявлять поперечный термоэлектрический отклик на лазерное облучение. То есть, если тепловой градиент присутствует вдоль нормального направления к поверхности пленки, генерируется термоэлектрический отклик в продольном направлении к плоскости поверхности пленки. Принятие эффекта LITV имеет существенное преимущество, заключающееся в том, что демонстрирует хорошую эффективность преобразования теплового сигнала в электрическое напряжение, показывая время отклика в наносекундной шкале времени. Другим преимуществом устройств на основе LITV перед стандартными термоэлектрическими устройствами является равномерное покрытие активной области по сравнению с конструкцией, основанной на аксиально расположенных термопарах.

Преимущество датчиков, использующих эффект LITV, перед пироэлектрическими датчиками и фотодиодами для измерения лазерного излучения заключается в сочетании общего быстрого времени отклика, широкополосного спектрального восприятия, высокого порога насыщения для прямого лазерного излучения и возможности измерения как импульсного, так и непрерывного лазерного излучения.

Линейность отклика против мощности

Отклик датчика Blink при непрерывном лазерном излучении мощностью до 50 Вт показан на рисунке ниже. Данные показывают выходной сигнал детектора мигания без какой-либо постлинеаризации. Построенная линия показывает линейную аппроксимацию, которая количественно определяет линейность детектора в пределах измеренного диапазона с коэффициентом R 0,9998. Наличие хорошей линейности имеет решающее значение для калибровки детектора после его изготовления.

Линейность отклика против энергии импульса

Отклик детектора на импульсы разной энергии и длительности показан на рисунке ниже. На том же рисунке также показана независимость измерений энергии от длительности импульса τP, что, в свою очередь, указывает на независимость измерений от плотности мощности.

Измерения энергии падающих импульсов EP также не зависят от размера пятна, а диапазон энергий регистрируемых импульсов составляет от 10 мкДж до десятков мДж.

Время отклика

Для времени отклика можно использовать разные определения. Мы используем здесь определение времени отклика 0–100% (τ0-100), которое представляет собой время, необходимое детектору для восстановления выходного сигнала до уровня базовой линии после окончания падающего лазерного импульса. Такое определение было выбрано потому, что fmax = 1/τ0-100 определяет максимальную измеряемую детектором частоту серии лазерных импульсов.

На рисунке ниже показан быстрый отклик детектора на серию лазерных импульсов длительностью 4 нс и частотой следования 1 МГц.

Оптический отклик и порог повреждения

Тепловая природа эффекта LITV позволяет детектору работать в широкополосном диапазоне длин волн падающего излучения до тех пор, пока электромагнитное излучение поглощается и преобразуется в тепло поглощающим покрытием.

Важной характеристикой покрытия является его спектральная плоскостность, что очень важно для простой калибровки датчика. Коэффициент оптического отражения детектора показан на рисунке. Во всем диапазоне измерений, то есть от 250 нм до 1100 нм, кривая отражения показывает плавное и, в целом, относительно ровное поведение.

Было обнаружено, что порог повреждения детектора в его самой быстрой конфигурации, то есть с полосой пропускания 1 МГц, превышал 30 мДж/см2/импульс для импульсов длительностью 200 нс.

Серия Blink - общие кривые поглощения