激光功率能量计-探头介绍

bjteo.tony · 发表于 2008-8-13 15:50:42

激光功率能量计
目前市场上用于测量激光功率或能量的功率计探头主要有三种类型：光电管的、热释电材料的和热电堆材料的。其中热电堆材料的激光功率计探头应用最为广泛，种类也最多。下面我对这种类型的探头做一些简单介绍。

热探头

热电堆探测器是一系列双金属连接件。两个连接件之间的温度差导致两金属之间形成了电势差。在这组连接中高温块在中间，热端；低温的在外围，冷端。激光撞击热电堆金属片的中心，向外围的低温部分辐射传播。热电偶阵列测量温度梯度，它与吸收的功率成正比。辐射的热量在金属片上传播产生了与入射功率成正比的电压值。

理论上，读数不受周围温度的影响，因为只有温度差会产生电压，电压的变化之和与热量的流动有关，而不是环境温度。

质量好的热电堆探头会有一个电热调节器用来补偿热电偶随温度变化的非线性。当温度升高时降低电热调节器的阻值。阻值的降低使放大器上的有效电压增大，从而补偿了热电偶下降的非线性。

因为所有被吸收的热量都传播给热电偶（只要激光光束入射到热金属节的中心范围内），所以探测器的响应几乎与光斑大小和入射位置无关。如果光斑位置靠近热金属节的边缘，一些热电偶的温度会比其他的高，但是因为测量的是他们的总和，所以读数是不会变的。通常对整个探测器表面读数的一致性可达到+/-2%

热电堆片的类型

当然没有一种吸收体可以满足所有的应用要求。一般需要开发多种类型来适合不同的应用，例如长脉冲的（0.1-10ms），短脉冲的（<1us）和连续激光的。薄的、难熔材料的吸收体适合应用于长脉冲和连续激光，因为热量可以在脉冲时间内通过覆层传播到金属片上。反之，脉冲比较短的话，热量就不能充分传播，所有的能量都积蓄在表面的薄层上（大约0.1um）。这会使表面汽化，损坏吸收体。

热电堆探头可测量从几十uW到KW量级。然而金属片的工作温度范围是有限制的，如果热金属节和冷金属节的温差超过几十度的话，金属节的温度系数会暂时失灵，金属节也会遭到破坏。因此设计不同厚度的体吸收材料来适应不同的功率范围，厚的应用于高功率，薄的应用于低功率。

金属片的响应时间通常取决于它的形状和大小：直径大的、厚的金属片比直径小的、薄的响应慢。响应时间大概正比与孔径尺寸大小，比如50mm孔径的比18mm的慢3倍。

表面吸收热探头

一个面吸收体一般由一个难熔的光吸收材料和一个铜或铝的热传导基底组成。当一个几百us的长脉冲或一个连续激光光束打到这样的面吸收探头上时，入射光被表面非常薄的一层吸收，一般厚度为0.1-1um，如下图A
Surface absorberA.JPG

虽然入射光仅被表面的薄层吸收并转化为热量，但是因为脉冲宽度足够长，使得被表面层积蓄的能量同时传播到热传导基底中，这样表面层就不会热量过分增大。

体吸收热探头

当测量几十us或更小的短脉冲激光时，热量会被短时间积蓄而不会在脉冲时间内传播流动。如下图B。
Surface absorberB.JPG

因此仅用很薄的表面层吸收能量的面吸收体就不合适了。所有积蓄在表面层的能量会使表面汽化。于是就发展出一种由传统中密度镜构成的体吸收材料来结合金属热传导基底。中密度镜在厚度为1-3mm内吸收入射光而不是几个um的薄层。因此即使在短脉冲入射下热量不能及时传播，热量也会被有合适深度的材料储存起来，所以体吸收探头的功率能量计就可以承受更高的能量密度10J/cm2，如下图C。这些中密度片成为这种类型吸收体的基础。
Volume absorberC.JPG

[ 本帖最后由 bjteo.tony 于 2008-8-13 15:53 编辑 ]

ruinan · 发表于 2008-8-13 20:38:56

这个文章太好了啊。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。

lxmben · 发表于 2008-8-14 08:48:40

北京市物科光电的光功率计是什么做的,测量激光功率是表面吸收吗吗?

bjteo.tony · 发表于 2008-8-14 09:05:44

基本原理应该是差不多的，测量大功率的激光应该要用到体吸收材料，再大的还要加水冷。当然对功率计来说，校准工作是非常重要的环节，校准水平的高低直接影响测量精度。

再也不能这样 · 发表于 2008-8-14 11:36:58

好文啊。谢谢bjteo.tony。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。

lxmben · 发表于 2008-8-14 11:39:00

谢谢！楼主的资料，请教功率计在测试时如长时间照测会对光功率计有精度和使用寿命有关吗？

bjteo.tony · 发表于 2008-8-14 12:01:42

会有影响，不过一般在测量范围内温度稳定在一定水平，问题不大；有些厂家会给出参数限制，比如说啊，测150W功率，持续测量50s就要停一下冷却。对于脉冲激光，脉冲宽度也有关系

uglybetty · 发表于 2008-9-9 19:06:42

测脉冲功率计和测连续激光器的功率计有什么不同吗？

kinglaser001 · 发表于 2008-10-27 21:06:16

谁有热电堆探头出售？我单位想购买，只需要探头部分，放大及显示电路由我们自已完成，用于机载功率测量，主要是10.6um测量。有一定的需求量。
发邮件详谈：marklaser001@yhaoo.com.cn

zzcloud · 发表于 2008-10-28 17:14:19

去中国计量院，北三环，化工大学对面那个，找光学处的马主任问问

moonaway · 发表于 2008-10-29 17:13:23

美国Laser Probe INC 的激光功率能量计有各种材料的功率能量探头
Si 探头、Ge探头、InGaAs 探头、腔体热电探头、体吸收热电探头、热电堆探头等。

有需要资料的发到我信箱：
XIASI2008@YAHOO.COM.CN
qq:152035015

alrexalrex · 发表于 2008-10-29 17:28:59

我有各种光电传感器探头，光电二极管以及热释电探测器

激光功率能量计-探头介绍

谁有热电堆探头出售？

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