Los sensores láser de termopila (Fig. 1) se utilizan para medir la potencia del láser desde unos pocos μW hasta varios W (ver 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 , se genera un voltaje por este gradiente de temperatura . Dado que el voltaje es directamente proporcional a la radiación entrante, puede estar directamente relacionado con la potencia de irradiación (ver 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 revestimiento de absorción en diferentes longitudes de onda). [4] [5] Además, los fotodiodos están polarizados inversamente y se saturan para potencias ópticas superiores a un cierto valor (normalmente en mW), [6] lo que hace que los sensores de termopila sean adecuados para mediciones de alta potencia. [2]
Los sensores piroeléctricos y calorímetros se utilizan comúnmente para medir la energía de los pulsos láser. [7] Los sensores piroeléctricos pueden medir energías bajas a medias (mJ a J ) y son propensos a efectos microfónicos . [7] Los calorímetros son capaces de medir energías altas (mJ a kJ) pero tienen tiempos de respuesta largos. [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 ) expuesta a un área de absorción y el otro tipo de unión (unión fría a temperatura T 2 ) expuesta a un disipador de calor. Cuando un rayo láser incide en la superficie de un sensor de termopila, la radiación incidente se absorbe dentro de la capa de revestimiento y se transforma en calor. Este calor induce entonces un gradiente de temperatura a través del sensor expresado como
[Kilómetros/metro],
donde t es el espesor del sensor. [9]
Debido al efecto termoeléctrico, la diferencia de temperatura hace que se genere un voltaje eléctrico dentro de cada termopar. Este voltaje de salida es directamente proporcional a la potencia de la radiación entrante. [10] Dado que normalmente se conectan en serie un gran número de termopilas, 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.
Dependiendo del espesor de la capa de absorción, el sensor de termopila se puede clasificar en dos categorías. [11]
En el caso de los absorbedores de superficie, el espesor de la capa de absorción es muy fino (0,1 – 100 μm), al igual que la longitud total de absorción . [11] Se utiliza para mediciones de potencia de láseres con una longitud de pulso larga (generalmente para láseres de onda continua). Si se utiliza un láser con una longitud de pulso en el rango de 10 −7 – 10 −4 s, el sensor puede resultar dañado por una ruptura dieléctrica o por efectos térmicos. [12] En caso de daño térmico, el calor se deposita en poco tiempo y no se puede disipar hasta que llega el siguiente pulso. Esto conduce a una acumulación de energía en una capa fina que conduce a una vaporización parcial. [11] En el caso de la ruptura dieléctrica, la densidad de energía máxima durante un pulso es lo suficientemente alta como para ionizar localmente la superficie del sensor. [13]
Para proteger el sensor de daños causados 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 soporten densidades de energía de pulso más altas, ya que la potencia óptica se absorbe en una profundidad considerable de material. [11]
Hay dos tipos principales de sensores láser de termopila que pueden clasificarse según la disposición geométrica de los termopares dentro del elemento sensor.
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 revestimiento 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 el exterior y, por lo tanto, un voltaje termoeléctrico. [8]
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 espesor total del sensor a 0,5 mm (figura 4). [8]
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 estar acoplado térmicamente a un disipador de calor .
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]
En este método de refrigeración, el calor se transfiere activamente al entorno. Esto se hace normalmente montando un ventilador en el disipador de calor de un detector refrigerado pasivamente o bombeando agua a través de un sistema de canales para enfriar el sensor. La opción preferida depende de la cantidad de calor que se debe disipar y, por lo tanto, de la potencia del detector.
La sensibilidad S [V/W] es la relación entre el voltaje U [V] generado debido a la potencia del láser incidente P [W] en el sensor. El voltaje generado depende del coeficiente Seebeck del material termoeléctrico; por lo tanto, es una constante específica del material. [9] La potencia incidente se puede calcular midiendo el voltaje del sensor y utilizando la fórmula:
[O].
La sensibilidad efectiva depende de la propiedad de absorción de la capa de revestimiento. Para una potencia láser incidente constante, un coeficiente de absorción mayor significa que se genera más calor [16], lo que conduce a un aumento en el voltaje de salida.
El rango espectral depende de las características de absorción del material de recubrimiento. [17] Por lo general, se desea un espectro de absorción plano en un amplio rango de longitudes de onda. También se puede adaptar a un rango de longitudes de onda o a una longitud de onda en particular.
El tiempo de subida de la señal es el tiempo que necesita el sensor para alcanzar el 95 por ciento 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 de 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 de los sensores axiales suele ser más corto que el de los sensores radiales, ya que los sensores axiales poseen una masa térmica y una resistencia térmica menores. [8] La diferencia puede ascender a un factor de 5 a 10 y se muestra en la figura 5. [8]
La potencia máxima que se puede medir con precisión depende del tipo de sensor, las propiedades de sus materiales y el tipo de refrigeración utilizado (ver sección 1.3) . [12] Una irradiancia demasiado grande puede provocar mediciones defectuosas o incluso el deterioro del sensor. [12]
La densidad máxima de potencia del láser para el sensor está dada por el umbral de daño inducido por láser del material de recubrimiento. [13] El valor del 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].
La sensibilidad del sensor varía con la temperatura media del sensor. Esto se debe a la dependencia de la temperatura del coeficiente Seebeck (ver sección 2.1) . [18]
Dado que la dependencia es casi lineal, el error de temperatura se puede corregir multiplicando el valor medido por un factor de corrección dependiente de la temperatura [19].
Si la temperatura del sensor es diferente de la temperatura ambiente, el calor fluye directamente al entorno sin contribuir al gradiente de temperatura detectado, lo que reduce efectivamente la salida del sensor. [20] Este tipo de error es del orden de unos pocos mW y, por lo tanto, es significativo solo con potencias incidentes bajas [20]
El error de fondo se puede minimizar manteniendo el sensor a temperatura ambiente y evitando flujos de aire convectivo. También se puede corregir restando la señal de un sensor no iluminado (medición oscura). [19]
Los sensores láser de termopila se utilizan principalmente cuando se necesita sensibilidad a un amplio rango espectral o cuando se deben medir altas potencias láser. Los sensores de termopila se integran en sistemas láser y fuentes láser y se utilizan para la monitorización esporádica y continua de la potencia láser, por ejemplo, en bucles de control de retroalimentación. Algunas de las aplicaciones son:
Según la norma de la UE (EN6001-1-22), todo sistema láser médico debe estar equipado con una unidad de medición de potencia redundante. Para procedimientos como el corte y la ablación de tejidos precisos, la potencia del láser se puede medir antes de la operación o incluso de forma continua durante todo el proceso. Un medio posible para integrar un sensor de termopila en un sistema médico es mediante el uso de un obturador o reflector de haz (Fig. 6) que se puede girar dentro y fuera de la trayectoria del haz para realizar períodos cortos de medición de la potencia láser completa. [21]
Los procesos de fabricación requieren precisión y reproducibilidad. Para el procesamiento de materiales mediante láser, el control de la potencia del láser resulta beneficioso, ya que puede evitar la producción de desechos y generar productos de alta calidad.
Existen 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 posterior de una cavidad láser para una monitorización continua. Las pérdidas de haz más adelante en la trayectoria del haz, causadas por ejemplo por un deterioro de la óptica, no se representan en este tipo de disposición.
Como alternativa, se pueden utilizar detectores para realizar mediciones esporádicas en la salida del sistema láser. En este caso, normalmente se mide el haz completo. [21]
Para mediciones esporádicas fuera del sistema láser (por ejemplo, durante el mantenimiento), es conveniente contar con una unidad de medición independiente. En este tipo de medidores de potencia, el elemento sensor suele estar integrado en una carcasa metálica para lograr estabilidad mecánica y térmica. La señal se registra y procesa en una unidad de lectura que muestra la potencia láser medida (figura 8). [21]
Los láseres de pulso corto que se utilizan en espectroscopia y comunicación óptica se pueden medir utilizando sensores de termopila, ya que poseen umbrales altos para daños inducidos por láser, especialmente cuando están equipados con un absorbedor de volumen. (ver sección 2.5) .
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, así como la potencia del haz. Esto es útil para fines de alineación del haz o para procesos en los que una posición correcta del haz es crucial para un alto rendimiento de producción. [21]
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