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) .
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/a/a4/All_radiation_sensors.jpg/440px-All_radiation_sensors.jpg)
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]
Principio y estructura de funcionamiento
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Como se muestra en la Figura 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],
donde t es el grosor del sensor. [9]
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.
En general, un sensor de termopila consta de tres elementos: un absorbedor, el elemento sensor y un cuerpo de enfriamiento para disipar el calor entrante.
Amortiguador
Dependiendo del grosor de la capa de absorción, el sensor de termopila se puede clasificar en dos categorías. [11]
Absorbedor de superficie
Para los absorbentes de superficie, el espesor de la capa de absorción es muy delgado (0,1 - 100 µm) y también lo es la longitud total de absorción . [11] Se utiliza para mediciones de potencia de láseres con pulsos de larga duración (generalmente para láser CW). Si se usa un láser con una longitud de pulso en el rango de 10 −7 - 10 −4 segundos, el sensor puede dañarse por ruptura dieléctrica o efectos térmicos. [12] En caso de daño térmico, el calor se deposita en poco tiempo y no se puede disipar hasta que llegue el siguiente pulso. Esto conduce a una acumulación de energía en una capa delgada que conduce a una vaporización parcial. [11] Para la ruptura dieléctrica, la densidad de energía máxima durante un pulso es lo suficientemente alta como para ionizar localmente la superficie del sensor. [13]
Absorbedor de volumen
Para proteger el sensor de daños por pulsos ópticos cortos, se utilizan absorbedores de volumen con longitudes de absorción del orden de milímetros. [11] Esto permite que los absorbedores de volumen resistan densidades de energía de pulso más altas, ya que la potencia óptica se absorbe en una profundidad considerable de material. [11]
Geometría del sensor
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![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/a/a2/B01-SC.jpg/440px-B01-SC.jpg)
Hay dos tipos principales de sensores láser de termopila que se pueden clasificar según la disposición geométrica de los termopares dentro del elemento sensor.
Sensor de termopila radial / discos de termopila
Los discos de termopila tienen termopares depositados sobre una placa de aluminio en una disposición radial como se muestra en la Fig. 3 (a). [8] Todos los termopares están conectados eléctricamente en serie con una unión en la circunferencia del área interior que está iluminada y la otra unión en la circunferencia exterior. [8] El recubrimiento de absorción en el área iluminada convierte la radiación en calor que fluye radialmente hacia afuera generando un gradiente de temperatura entre el anillo interior y exterior y, por tanto, un voltaje termoeléctrico. [8]
Sensor de termopila axial
La figura 3 (b) muestra la vista en sección transversal del sensor axial donde se establece la diferencia de temperatura entre las superficies superior e inferior. Los termopares están incrustados en una matriz y alineados en paralelo con respecto al flujo de calor, formando uniones en la parte superior e inferior. [8] Esta disposición permite una reducción del grosor total del sensor a 0,5 mm (Fig. 4). [8]
Gestión de refrigeración / calor
Es crucial disipar el calor entrante para establecer un gradiente de temperatura estable a través del sensor. [15] Por lo tanto, el lado frío del sensor debe acoplarse térmicamente a un disipador de calor .
Refrigeración pasiva
En este método de enfriamiento, el lado frío del sensor se monta sobre un conductor de calor (generalmente un disipador de calor de aluminio) y el calor se disipa al entorno por conducción (a través del conductor de calor) y convección (flujo de aire). [15]
Refrigeración activa
En este método de enfriamiento, el calor se transfiere activamente al medio ambiente. Esto generalmente se hace montando un ventilador en el disipador de calor de un detector enfriado pasivamente o bombeando agua a través de un sistema de canales para enfriar el sensor. La elección preferida depende de la cantidad de calor a disipar y, por tanto, de la potencia del detector.
Caracteristicas
Sensibilidad
La sensibilidad S [V / W] es la relación de voltaje U [V] generado debido a la potencia del láser incidente P [W] en el sensor. El voltaje generado depende del coeficiente de Seebeck del material termoeléctrico; por tanto, es una constante específica del material. [9] La potencia incidente se puede calcular midiendo el voltaje del sensor y usando la fórmula:
[W].
La sensibilidad efectiva depende de la propiedad de absorción de la capa de revestimiento. Para una potencia de láser incidente constante, un coeficiente de absorción mayor significa que se genera más calor [16], lo que aumenta la tensión de salida.
Rango espectral
El rango espectral depende de las características de absorción del material de revestimiento. [17] Normalmente, se desea un espectro de absorción plano en un amplio rango de longitudes de onda. También se puede adaptar a un rango de longitud de onda oa una longitud de onda particular.
Hora de levantarse
El tiempo de subida de la señal es el tiempo requerido por el sensor para alcanzar el 95% de la amplitud total de la señal cuando se expone a una función escalonada de la potencia del láser incidente. Depende de las resistencias térmicas generales y la capacitancia térmica del sensor. [11] La magnitud de estos dos parámetros depende de los materiales y la geometría del detector [11]
El tiempo de subida para los sensores axiales suele ser más corto que para los sensores radiales, ya que los sensores axiales poseen una masa térmica y una resistencia térmica más bajas. [8] La diferencia puede ascender a un factor de 5 a 10 y se muestra en la Figura 5. [8]
Poder maximo
La potencia máxima que se puede medir con precisión depende del tipo de sensor, las propiedades del material y el tipo de refrigeración utilizada (consulte la sección 1.3) . [12] Pueden producirse mediciones defectuosas o incluso el deterioro del sensor debido a una irradiancia demasiado grande. [12]
Densidad máxima de potencia
La densidad de potencia máxima del láser para el sensor viene dada por el umbral de daño inducido por láser del material de recubrimiento. [13] El valor umbral depende de la longitud de onda del láser, la longitud de su pulso y, en cierta medida, de la estructura de la superficie absorbente [13]
Duración del pulso | t <10 −9 | 10 −9 | 10 −7 | t> 10 −4 |
---|---|---|---|---|
Mecanismo de daño | Ionización de avalancha | Ruptura dieléctrica | Rotura dieléctrica o daño térmico | Daño termal |
Especificación de daño relevante | N / A | Pulsado | Pulsado y CW | CW |
Fuentes de errores de medición
Error de temperatura
La sensibilidad del sensor varía con la temperatura media del sensor. Esto se debe a la dependencia de la temperatura del coeficiente de Seebeck (consulte la sección 2.1) . [18]
Dado que la dependencia es cuasi lineal, el error de temperatura se puede corregir multiplicando el valor medido por un factor de corrección dependiente de la temperatura [19]
Error de fondo
Si la temperatura del sensor es diferente de la temperatura ambiente, el calor fluye directamente al entorno sin contribuir al gradiente de temperatura detectado, por lo que se reduce efectivamente la salida del sensor. [20] Este tipo de error es del orden de unos pocos mW y, por lo tanto, solo es significativo a bajas potencias de incidencia [20]
El error de fondo se puede minimizar manteniendo el sensor a temperatura ambiente y evitando los flujos de aire por convección. También se puede corregir restando la señal de un sensor no iluminado (medición oscura). [19]
Aplicaciones
Los sensores láser de termopila encuentran su uso principalmente donde se necesita sensibilidad a un amplio rango espectral o donde se deben medir altas potencias láser. Los sensores de termopila están integrados en sistemas láser y fuentes láser y se utilizan para el monitoreo esporádico y continuo de la potencia del láser, por ejemplo, en lazos de control de retroalimentación. Algunas de las aplicaciones son
Sistemas médicos
De acuerdo con el estándar de la UE (EN6001-1-22), cada sistema láser médico debe estar equipado con una unidad de medición de energía redundante. Para procedimientos como el corte y la ablación de tejido precisos, la potencia del láser se puede medir antes de la operación o incluso de forma continua durante todo el proceso. Un medio posible de integrar un sensor de termopila en un sistema médico es mediante el uso de un obturador o reflector de haz (figura 6) que se puede voltear dentro y fuera de la trayectoria del haz durante períodos cortos de medición de la potencia total del láser. [21]
Sistemas industriales
Los procesos de fabricación requieren precisión y reproducibilidad. Para el procesamiento de materiales con láser, el control de la potencia del láser es beneficioso, ya que puede evitar la producción de chatarra y producir productos de alta calidad.
Hay varias formas de integrar una medición de potencia. En la figura 6 se muestra la integración en la trayectoria del haz detrás de un divisor de haz. La figura 7 ilustra la opción de montar el detector detrás del espejo trasero de una cavidad láser para un control continuo. Las pérdidas de haz más abajo en la trayectoria del haz, causadas por ejemplo por un deterioro de la óptica, no se mapean en este tipo de disposición.
Como alternativa, se pueden utilizar detectores para mediciones esporádicas en la salida del sistema láser. Por lo general, en este caso se mide el haz completo. [21]
Medidores de potencia
Para mediciones esporádicas fuera del sistema láser (por ejemplo, durante el mantenimiento), una unidad de medición separada es beneficiosa. Para un medidor de potencia de este tipo, el elemento sensor generalmente está integrado en una carcasa de metal para lograr estabilidad mecánica y térmica. La señal se registra y procesa en una unidad de lectura que muestra la potencia láser medida (Fig. 8). [21]
Medición láser ultrarrápida
Los láseres de pulso corto que se utilizan en espectroscopia y comunicación óptica se pueden medir utilizando sensores de termopila ya que poseen altos umbrales para daños inducidos por láser, especialmente cuando están equipados con un absorbedor de volumen. (ver sección 2.5) .
Detector de posición
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Se puede utilizar una disposición de varios sensores de termopila acoplados térmicamente similar a un diseño de fotodiodo de cuadrante (Fig. 9) para detectar la posición del haz y la potencia del mismo. Esto es útil para propósitos de alineación del haz o para procesos donde una posición correcta del haz es crucial para un alto rendimiento de producción. [21]
Comparación entre diferentes tipos de detectores.
Característica | Termopila | Fotodiodo | Piroeléctrico | Calorímetro |
---|---|---|---|---|
Principio físico | Termoelectricidad | Combinación de agujeros de electrones | Pyro electricidad | Termoelectricidad |
Rango espectral | Banda ancha | Banda estrecha | Banda estrecha | banda ancha |
Rango de poder | Bajo a medio | Bajo | Energías bajas a medias | Energías muy altas |
Señal | Voltaje (v) | Corriente (A) | Voltaje (V) o corriente (A) | Voltaje (v) |
Tiempo de respuesta | Elevado | Bajo | Bajo | Elevado |
Sensibilidad dependiente de la longitud de onda | No | sí | No | No |
Respuesta lineal | sí | Sí, hasta la saturación | - | - |
Efecto de una pequeña variación del ángulo de incidencia | Despreciable | Significativo | Despreciable | Despreciable |
Referencias
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