高功率激光器測量-熱電堆（Thermopile）探測器

高功率激光器測量-熱電堆（Thermopile）探測器

激光功率（或能量）是表征激光器重要的參數(shù)，主要的探測器類型有光電二極管，熱電堆探測器和熱釋電探測器。除此以外，特殊應(yīng)用還有光電倍增管，雪崩二極管等。常見高功率激光器（YAG, CO₂等）功率測量的主要設(shè)備就是熱電堆探測器。熱電堆探測器的主要優(yōu)點是：高功率（uW-KW）及響應(yīng)波段寬（紫外到>10um），響應(yīng)范圍為整個紅外區(qū)域，室溫下工作，使用方便。而且整個響應(yīng)區(qū)域，響應(yīng)度曲線整體平整，隨波長變化不大，特別適用于寬波段光學(xué)測量。它的劣勢是響應(yīng)速度慢，低功率（uW級）測量準(zhǔn)確性不高。

熱電堆（Thermopile）探測器原理

熱電堆傳感器由兩種不同金屬連接在一起，是利用溫差電現(xiàn)象制成的一種器件，在熱端和冷端有溫差時，回路中會產(chǎn)生溫差電動勢，其數(shù)值與輻射量有關(guān)。激光功率照射熱電堆的導(dǎo)熱盤，測量出的溫度變化正比于入射的光功率。由于所有的熱量都可以被熱電堆吸收，檢測器的響應(yīng)幾乎是獨立于激光光束大小和位置。Newport的探測器均勻性達到<±2%.

熱電堆盤類型（表面與體吸收結(jié)構(gòu)）

沒有一種吸收體符合所有激光功率測量的需求。長脈沖（0.1-10ms）和連續(xù)波的吸收體，其特征是?。ㄒ话銥?/span>0.1µm）和耐火材料，因為在脈沖持續(xù)時間內(nèi)，熱可以通過涂層進入到導(dǎo)熱盤。而測量短脈沖（<1us）的激光不能采用上述結(jié)構(gòu)，所有的能量沉積在一個薄的表面層，這會導(dǎo)致導(dǎo)熱盤表面的破壞和蒸發(fā)。

熱電堆可以測量激光功率從幾十微瓦到千瓦不等。然而，導(dǎo)熱盤的測量范圍是有限的。如果兩種材料熱和冷的交界處的溫度差異超過幾十度，不斷加熱/冷卻會導(dǎo)致器件過早損壞。因此，為了適應(yīng)不同的功率測量范圍，需要選擇不同厚度和大小的導(dǎo)熱盤，厚的用于高功率激光測量,薄的用于低功率。導(dǎo)熱盤的響應(yīng)時間是取決于它們的大小和形狀：直徑較大和較厚的導(dǎo)熱盤比薄和小的導(dǎo)熱盤響應(yīng)慢。

測量短脈沖激光時（幾十個微秒或甚至更短），熱沉積在短時間內(nèi)不能流入導(dǎo)熱盤。因此，吸收的能量在一個薄的表面層是不合適的。在這種情況下，使用體吸收結(jié)構(gòu)。中性密度玻璃吸收光的深度為1-3毫米而不是微米級。因此，即使短脈沖在沒有熱量流動，光和熱沉積到相當(dāng)?shù)纳疃?，因此體吸收結(jié)構(gòu)能夠承受更高的能量密度——達10焦耳/平方厘米。

高功率熱電堆探測器的標(biāo)定方法和準(zhǔn)確性

高功率（5KW）熱電堆探測器Newport 919P-5KW-50是使用相對較低功率的激光器150-300W進行標(biāo)定。使用這樣的低功率激光進行標(biāo)定，而當(dāng)使用高功率測量時，就會讓人想到關(guān)于標(biāo)定精度的問題。通過熱電堆探測器的工作原理可知，由于它是電壓產(chǎn)生裝置，因此電壓輸出必須是線性的。如果在低功率的校準(zhǔn)是準(zhǔn)確的，在高功率它將保持較高的準(zhǔn)確性，919P-5KW-50的準(zhǔn)確度在±5%以上。

使用熱電堆探測器來測量單脈沖能量

雖然熱電堆激光功率探測器主要用于測量功率，其實它還可測量單脈沖能量。由于導(dǎo)熱盤加熱和冷卻下來的時間通常是幾秒鐘，這種熱探測器只能測量每幾秒鐘一個的單一脈沖，因此它僅僅適用于所謂的“Single shot”的測量，而且測量的脈沖寬度是沒有限制的。

Newport 919P-020-12響應(yīng)度曲線

響應(yīng)范圍為整個紅外區(qū)域，且響應(yīng)度隨波長變化極小。測試結(jié)果見下圖。

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