Измерение мощности и энергии оптического излучения
Существует три основных типа датчиков – термоэлектрические, фотодиодные и пироэлектрические. Каждая технология имеет свои достоинства и недостатки, которые и определяют области применения того или иного датчика.
Термоэлектрические
Принцип работы термоэлектрических датчиков мощности основан на преобразовании поглощенного электромагнитного излучения в тепло за счет множества термопар, объединенных в термобатареи. Термопары состоят из двух разных материалов, обычно металлов. Одна сторона термобатареи нагревается под действием излучения, в материале создается разница температур, и возникает термоэлектрическое напряжение, которое пропорционально разнице температур, которая в свою очередь пропорциональна мощности падающего излучения.
Устройство термоэлектрического датчика
Термоэлектрические измерители почти неселективные по длине волны излучения и способны измерять мощности от несколько мВт до десятков киловатт в непрерывном режиме. Однако, датчики данного типа нечувствительны к малым мощностям, поэтому их чаще используют для работы с высокомощным непрерывным и импульсным излучением для измерения средней мощности и энергии одиночного импульса.
Фотодиодные
Принцип работы фотодиодных датчиков основан на образовании p-n переходов в полупроводнике при поглощении фотонов с энергией выше, чем величина запрещенной зоны, и генерации фототока.
Устройство фотодиодного датчика
Фотодиодные датчики более чувствительные к низким мощностям и способны работать в диапазоне от пкВт до нескольких мВт без фильтра и 3 Вт с фильтром. Однако из-за селективности по длине волны, как показано на графике ниже, необходимо калибровать датчики на рабочую длину волны.
Зависимость чувствительности сенсора от длины волны
Пироэлектрические
Пироэлектрический датчик содержит кристалл, который нагревается под действием падающего излучения и расширяется, что приводит к изменению поляризации и возникновению напряжения между поверхностями детектора, которое пропорционально энергии импульса.
Пироэлектрические датчики способны измерять до тысячи коротких импульсов (с длительностью от 5 до 400 мкм) в секунду. Так же, как и фотодиодные датчики, они обладают высокой чувствительностью, что является плюсом при измерении маломощного излучения, но накладывает ограничения при измерении более высоких энергий и мощностей в виде использования аттенюаторов/диффузоров, чтобы уменьшить количество энергии, попадающее на пироэлектрический кристалл.
Принцип работы пироэлектрического датчика
Измерение средней мощности непрерывного излучения
Одной из характеристик непрерывного излучения, которую часто необходимо измерять, является средняя мощность излучения.
Для измерения малых мощностей подойдут фотодиодные датчики мощности с высокой чувствительностью, позволяющие измерять значения мощности от пВт до сотен мВт, а с фильтром до нескольких Вт.
|
Датчики мощности 500 пВт – 300 мВт |
|
Датчик мощности 50 нВт – 3 Вт |
Для работы с более высокомощным излучением от 100 мВт используют термоэлектрические датчики мощности с воздушным охлаждением. Датчики без дополнительного оснащения для активного воздушного и водяного охлаждения позволяют измерять мощности до 200 Вт.
|
Малогабаритные датчики мощности 100 мкВт – 10 Вт |
|
Датчики мощности 10 мВт – 60 Вт |
|
Датчики мощности 100 мВт – 200 Вт |
Измерители, оснащенные вентилятором для активного воздушного охлаждения, рассчитаны на проведение измерений с относительно высокомощным излучением до 600 Вт.
|
Датчики мощности 50 мВт – 600 Вт |
Измерители высокомощного излучения (до кВт и десятков кВт) оснащены системой водяного охлаждения и пирамидальным конусом, позволяющим рассеивать высокомощное излучение во избежание разрушения чувствительного элемента.
|
Датчики мощности до 5 кВт |
|
Датчики мощности до 30 кВт |
В некоторых случаях термоэлектрические датчики также позволяют измерять энергию одиночных импульсов длительностью не более 0.1 сек., если средняя мощность излучения не превышает верхнего предела измеряемой мощности датчика. Однако, такие датчики не рассчитаны на работу с высокочастотным импульсным излучением и способны детектировать импульсы только с промежутком 5-6 секунд.
Измерение средней мощности и энергии импульсного излучения
Для измерения средней мощности импульсного излучения по аналогии с измерением средней мощности непрерывного излучения используют термоэлектрические и фотодиодные датчики.
Помимо средней мощности, часто необходимо измерять энергию одиночного импульса. Для этого подходят фотодиодные датчики энергии.
|
Датчики мощности 10 пДж – 180 нДж |
|
Датчик энергии 1 нДж- 13 мкДж |
Для измерения энергии высокочастотного излучения используют пироэлектрические датчики энергии.
|
Датчики энергии 0.2 мкДж – 1 мДж |
|
Датчики энергии 8 мкДж – 10 Дж |
В некоторых случаях термоэлектрические датчики позволяют измерять энергию одиночного импульса при условии, что промежуток между импульсами 5-6 с.