Как измерить мощность высокомощного лазера?

В процессе работы лазера во многих приложениях зачастую требуется контроль энергетических параметров излучения. Компания Thorlabs предлагает универсальный измеритель мощности лазерного излучения S322C на основе термодатчика, способный регистрировать сигналы мощностью от 100 мВт до 200 Вт в широком диапазоне длин волн от 250 нм до 11 мкм. Такой измеритель является подходящим средством для контроля мощности как непрерывного излучения, так и импульсного излучения с длинными импульсами таких лазеров, как диодные лазеры, ArIo лазеры, KrIo лазеры, лазеры на красителях, CO₂ лазеры, HeCd лазеры, Nd:YAG лазеры. Датчик работает от УФ до ИК диапазона с «плоским» откликом и низким обратным отражением от широкополосного покрытия, обладающего высоким порогом повреждения. Еще одно преимущество этих датчиков заключается в том, что они позволяют измерять среднюю мощность импульсных лазерных источников, пиковая мощность которых выше максимальной номинальной мощности, в том случае, если она не превышает порог повреждения покрытия чувствительного элемента. При измерении мощности, превышающей 50 Вт, встроенный в измеритель вентилятор необходимо подключить к источнику питания (12 В постоянного тока) для обеспечения стабильных измерений. Датчик имеет встроенный терморезистор для контроля перегрева. Измеритель S322C совместим со всеми доступными консолями для измерения мощности Thorlabs. К примеру, Вы можете использовать консоль PM100D с графическим дисплеем 320 х 240 пикселей для отслеживания энергетических параметров лазерного излучения в реальном времени. Подключение датчика к консоли осуществляется через разъем C-серии. Консоль обладает встроенной картой памяти объемом 2 Гб для сохранения измерений и возможностью подключения к ПК через разъем USB 2.0. Интерактивные подсказки помогают управлять устройством, предоставляя пользователю пошаговые инструкции по эксплуатации, отображая следующий шаг на экране.

Рисунок 1. Термический датчик мощности S322C и измерительная консоль PM100D компании Thorlabs

Принцип работы термического датчика

Датчики тепловой мощности включают в себя термопары и основаны на принципах термоэлектрического эффекте (эффекта Зеебека), согласно которому любой проводник, подверженный тепловому градиенту, генерирует напряжение. Следовательно, если между двумя поверхностями присутствует разность температур, градиент температуры будет генерировать разность напряжений между этими двумя поверхностями. Этот процесс можно рассматривать как инверсию эффекта Пельтье.

В термическом датчике мощность падающего лазерного пучка поглощается верхней поверхностью термопары и преобразуется в тепло. Другая поверхность термопары остается холодной, так как она термически связана с радиатором. Градиент температуры между двумя поверхностями зависит от падающей оптической мощности. Следовательно, генерируемое напряжение между горячей и холодной поверхностями пропорционально падающей мощности.

Преобразование оптической мощности в измеряемое напряжение зависит от способности поверхности датчика поглощать оптическое излучение и преобразовывать его в тепло. Для увеличения поглощения на чувствительную поверхность датчика S322C нанесено широкополосное покрытие с эффективностью поглощения, не зависящей от длины волны, и высоким порогом повреждения (то есть оно способностью выдерживать высокие плотности оптической мощности).

Радиальная конфигурация термопар

Датчик мощности S322C является радиальным (рис. 2, вид сверху). При такой конструкции поглотитель света размещается в центре. Он окружен концентрическим кольцом термопар, соединенных последовательно, которые в свою очередь окружены концентрическим радиатором. Свет, падающий на поглотитель, генерирует тепло, которое распространяется в радиальном направлении через термопары к радиатору. Радиатор сконструирован таким образом, чтобы находиться в хорошем механическом контакте с внешним кольцом термопары, без теплового контакта с поглотителем света или внутренним кольцом термопары. Область за поглотителем изолирована от теплового контакта с чем-либо, что может отклонить тепловой поток от радиального направления. Преимущество радиальной конструкции датчиков состоит в том, что они могут использоваться для измерений высокомощного лазерного излучения.

Рисунок 2. Схема термодатчика с радиально сконфигурированными термопарами (свет падает на поглощающий слой в центре, тепло проходит через термопары к радиатору)

Основные технические характеристики датчика S322C

• Диапазон измерения мощности непрерывного излучения 100 мВт – 200 Вт
• Диапазон длин волн 250 нм – 11 мкм
• Диаметр активной области 25 мм
• Разрешение по мощности при использовании с консолью PM100D 5 мВт
• Линейность +/- 10%
• Максимальная средняя плотность мощности 4 кВт/см² для излучения CO₂ лазера
• Максимальная плотность энергии в импульсе 0.5 Дж/см² при длительности импульса 1 нс, 10 Дж/см² при длительности импульса 1 мс

Рисунок 3. График зависимости поглощения от длины волны

Рисунок 4. Уровень плотности энергии в импульсе и порога повреждения

©Thorlabs

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Thorlabs на территории РФ