Blink sensör serisi için Yüksek Hızlı Termopiller

Laser Point tarafından geliştirilen bu çok yeni patentli teknolojileri temel alan yüksek hızlı termal sensörler, sürekli dalga (CW) lazerlerin güç çıkışını da ölçme özelliği kazandıracak şekilde, MHz aralığına kadarki tekrarlamalı frekanslara sahip tek lazer atımlarının enerjisini ölçebilmektedirler.

Üstelik, bu sensörlerin termal niteliği, mor ötesinden (UV) THz’ye kadar geniş bantlı bir tayfta çalışma kabiliyetini olanaklı kılarken, optik filtre kullanmaya veya başka önlem almaya gere olmadan lazer radyasyonunun uyarıcı ortalama güç yoğunluklarının geniş bir aralığında (10-3-102W/cm2) çalışma olanağı sunar.

Termoelektrik cihazlar iki farklı gruba ayrılır: Farklı tipte malzemelerin birleşiminde indüklenen standart boylamasına termoelektrik etkiyi kullanan cihazlar ve Lazerle İndüklenen Transvers Gerilim (LITV) etkisini temel alan cihazlar.

Standart boylamasına termoelektrik etkiyi temel alan sensörler yaygın olarak elektrik açıdan birbirine bağlı birden çok termokuplörle tasarlanırlar; bunlar uygun bir sübstrat boyunca eksenel olarak ısı akısını ölçebilirler. Standart termoelektrik etkiyi kullanan bu tip sensörler sıradan radyal termopil tasarımında bir evrimi temsil eder. Bir termal prensipte çalışıldığında bu tür sensörlerin spektral kabul bölgesi hala geniş banttır. Ancak, bu tür sensörlerin termal tasarımı yalnızca görece yavaş tepki sürelerine (genellikle 100 ms altı) izin verir. Üstelik, çoklu eksenel termokuplörlerin tasarımı sıklıkla sensörün etkin alanında kıt bir kapsamı ortaya koyar.

Lazerle İndüklenen Transvers Gerilim (LITV) etkisini kullanan sensörler de termal gradyanı bir elektrik sinyaline dönüştürür. Yerleştirilen uygun malzemeden ince filmler lazer ışımasına transvers termoelektrik yanıt verebilirler. Diğer bir deyişle, termal gradyan film yüzeyinin normal yönü boyunca mevcutsa, film yüzeyi düzleminin boylamasına yönde bir termoelektrik yanıt oluşturulur. LITV etkisini benimsemek kendiliğinden termal sinyali elektrik gerilimine dönüştürme konusunda iyi bir verim sergileme avantajını getirirken, yanıt süreleri nanosaniye zaman ölçeğinde yer alır. LITV tabanlı cihazların standart termoelektrik cihazlar karşısındaki diğer bir üstünlüğü de, eksenel olarak yerleştirilen termopkuplörleri temel alan bir tasarıma kıyasla etkin alanda eşit kapsama olmasıdır.

LITV etkisini kullanan sensörlerinin lazer radyasyonu ölçümüne yönelik piroelektrik sensörler ve fotodiyotların karşısındaki üstünlüğü, genel hızlı yanıp süresi, geniş bant tayf kabulü, doğrudan lazer ışınımına yüksek doygunluk eşiği ve atımlı olduğu kadar sürekli dalga (cw) lazer kaynaklarını ölçme olanağı şeklindedir.

Yanıtın güce kıyasla doğrusallığı

Blink sensörün yaklaşık 50 W değerine kadarki sürekli dalga (CW) lazer radyasyonuna yanıtı aşağıdaki resimde gösterilmektedir. Veriler, herhangi bir sonradan doğrusallaştırma olmadan Blink detektörünün çıkış sinyalini göstermektedir. Kesik çizgi, 0,9998 değerinde bir R katsayısıyla ölçülen aralık içindeki detektörün doğrusallığını nicel hale getiren doğrusal oturmayı gösterir. İyi bir doğrusallığa sahip olmak, imal edilmesinden sonra detektörün kalibrasyonu açısından hayati önem taşır.

Yanıtın atım enerjisine kıyasla doğrusallığı

Farklı enerji ve atım sürelerine sahip atımlara karşı detektörün tepkisi aşağıdaki resimde gösterilmektedir. Güç yoğunluğundan ölçümlerin bağımsızlığını gösteren, enerji ölçümlerinin atım süresinden τP bağımsız oldukları da aynı resimde gösterilmektedir.

Gelen atım EP enerjisinin ölçümleri nokta boyutundan bağımsızdır ve tespit edilen atımların enerji aralığı 10 uJ değerinden onlarca mJ değerine kadar değişmektedir.

Yanıt süresi

Yanıt süresi için farklı tanımlamalar kullanılabilir. Burada %0-%100 (τ0-100) yanıt süresi tanımını kullanıyoruz; bu, gelen lazer atımı sona erdikten sonra sinyal çıkışını taban çizgisi seviyesine geri getirmek için detektörün ihtiyaç duyduğu süredir. Söz konusu tanımın seçilmesinin nedeni, lazer atımları dizisinin detektör tarafından maksimum ölçülebilir frekansının fmax = 1/τ0-100 formülüyle tanımlanmasıdır.

Aşağıdaki resimde, 4 ns atım süresi ve 1 MHz tekrarlama oranına sahip lazer atımı dizilerine hızlı yanıt veren detektör gösterilmektedir.

Optik yanıt ve hasar eşiği

LITV etkisinin termal niteliği, elektromanyetik radyasyonun soğurularak soğurma kaplaması tarafından ısıya dönüştürülmesi koşuluyla, detektörün gelen radyasyonun geniş bant dalga boyu aralığında çalışmasına olanak tanır.

Kaplamanın önemli özelliklerinden biri, detektörün basit kalibrasyonu açısından büyük önem taşıyan spektral düzlüğüdür. Detektörün optik yansıtıcılığı resimde gösterilmektedir. Tam ölçüm aralığında, yani 250 nm’den 1100 nm’ye kadar yansıtıcılık eğrisi pürüzsüz ve genel olarak göreli düz davranış sergiler.

En hızlı yapılandırmasında, yani 1 MHz bant genişliği ile detektörün hasar eşiğinin 200 ns’lik atımlarda 30 mJ/cm2/atım değerinden büyük olduğu bulunmuştur.

Blink serisi - Genel Soğurma eğrileri