高功率激光器測(cè)量-熱電堆（Thermopile）探測(cè)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(cè)器類型有光電二極管，熱電堆探測(cè)器和熱釋電探測(cè)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(cè)量的主要設(shè)備就是熱電堆探測(cè)器。熱電堆探測(cè)器的主要優(yōu)點(diǎn)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(gè)紅外區(qū)域，室溫下工作，使用方便。而且整個(gè)響應(yīng)區(qū)域，響應(yīng)度曲線整體平整，隨波長(zhǎng)變化不大，特別適用于寬波段光學(xué)測(cè)量。它的劣勢(shì)是響應(yīng)速度慢，低功率（uW級(jí)）測(cè)量準(zhǔn)確性不高。

熱電堆（Thermopile）探測(cè)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(shí)，回路中會(huì)產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)，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(cè)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(cè)器的響應(yīng)幾乎是獨(dú)立于激光光束大小和位置。Newport的探測(cè)器均勻性達(dá)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(cè)量的需求。長(zhǎng)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?yàn)樵诿}沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)，熱可以通過涂層進(jìn)入到導(dǎo)熱盤。而測(cè)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(gè)薄的表面層，這會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)熱盤表面的破壞和蒸發(fā)。

熱電堆可以測(cè)量激光功率從幾十微瓦到千瓦不等。然而，導(dǎo)熱盤的測(cè)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(huì)導(dǎo)致器件過早損壞。因此，為了適應(yīng)不同的功率測(cè)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(cè)量,薄的用于低功率。導(dǎo)熱盤的響應(yīng)時(shí)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(cè)量短脈沖激光時(shí)（幾十個(gè)微秒或甚至更短），熱沉積在短時(shí)間內(nèi)不能流入導(dǎo)熱盤。因此，吸收的能量在一個(gè)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(jí)。因此，即使短脈沖在沒有熱量流動(dòng)，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(dá)10焦耳/平方厘米。

高功率熱電堆探測(cè)器的標(biāo)定方法和準(zhǔn)確性

高功率（5KW）熱電堆探測(cè)器Newport 919P-5KW-50是使用相對(duì)較低功率的激光器150-300W進(jìn)行標(biāo)定。使用這樣的低功率激光進(jìn)行標(biāo)定，而當(dāng)使用高功率測(cè)量時(shí)，就會(huì)讓人想到關(guān)于標(biāo)定精度的問題。通過熱電堆探測(cè)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(cè)器來測(cè)量單脈沖能量

雖然熱電堆激光功率探測(cè)器主要用于測(cè)量功率，其實(shí)它還可測(cè)量單脈沖能量。由于導(dǎo)熱盤加熱和冷卻下來的時(shí)間通常是幾秒鐘，這種熱探測(cè)器只能測(cè)量每幾秒鐘一個(gè)的單一脈沖，因此它僅僅適用于所謂的“Single shot”的測(cè)量，而且測(cè)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(gè)紅外區(qū)域，且響應(yīng)度隨波長(zhǎng)變化極小。測(cè)試結(jié)果見下圖。

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