Sensor láser de termopila

Los sensores láser de termopila (Fig. 1) se utilizan para medir la potencia del láser desde unos pocos µW hasta varios W (consulte la sección 2.4) . [2] La radiación entrante del láser se convierte en energía térmica en la superficie. [3] Esta entrada de calor produce un gradiente de temperatura a través del sensor. Haciendo uso del efecto termoeléctrico, este gradiente de temperatura genera una tensión . Dado que el voltaje es directamente proporcional a la radiación entrante, puede estar directamente relacionado con la potencia de irradiación (consulte la sección 2.1) .

A diferencia de los fotodiodos , los sensores de termopila se pueden utilizar para un amplio espectro de longitudes de onda que van desde UV a MIR (dependiendo de las características del recubrimiento de absorción en diferentes longitudes de onda). [4] [5] Además, los fotodiodos tienen polarización inversa y se saturan para potencias ópticas por encima de un cierto valor (normalmente en mW), [6] lo que hace que los sensores de termopila sean adecuados para mediciones de alta potencia. [2]

El sensor piroeléctrico y el calorímetro se utilizan comúnmente para medir la energía de los pulsos láser. [7] El sensor piroeléctrico puede medir energías bajas a medias (mJ a J ) y es propenso a efectos microfónicos . [7] Los calorímetros son capaces de medir altas energías (mJ a kJ) pero tienen grandes tiempos de respuesta. [7]

Como se muestra en la Fig 2, un sensor láser de termopila consta de varios termopares conectados en serie con un tipo de unión (unión caliente a temperatura T 1 ) expuesto a un área de absorción y el otro tipo de unión (unión fría a temperatura T 2 ) expuesto a un disipador de calor. Cuando un rayo láser golpea la superficie de un sensor de termopila, la radiación incidente se absorbe dentro de la capa de recubrimiento y se transforma en calor. Este calor luego induce un gradiente de temperatura a través del sensor dado como

[K / m],

Debido al efecto termoeléctrico, la diferencia de temperatura hace que se acumule un voltaje eléctrico dentro de cada termopar. Este voltaje de salida es directamente proporcional a la potencia de la radiación entrante. [10] Dado que una gran cantidad de termopilas se conectan típicamente en serie, se alcanzan voltajes de varios µV a V.

Figura 1: [1] Los sensores térmicos están disponibles en varios tamaños
Figura 2: [8] Principio de funcionamiento de un sensor láser térmico (Adaptado de la figura 3 con permiso)
Figura 3: [8] (a) Termopila radial y (b) Sensores de termopila axial
Figura 4: [14] Sensor axial con 0,5 mm de espesor
Figura 5: [8] Comparación del tiempo de subida entre sensores de termopila radial y axial
Figura 6: [21] Un ejemplo que muestra cómo se pueden utilizar los sensores térmicos para la medición continua
Figura 7: [21] Un ejemplo que muestra cómo se pueden usar los sensores térmicos para el monitoreo continuo usando el espejo trasero
Figura 8: [22] Medidor de potencia térmica de Thorlab
Figura 9: [23] Sensor de posición, con diferentes cuadrantes como se muestra en la imagen