Тепловой метод измерения мощности и энергии лазерного излучения

Наиболее точным являются калориметрические преобразователи, поэтому рассмотрим тепловой метод измерения более подробно. Сущность теплового метода измерения энергетических параметров лазерного излучения состоит в том, что энергия излучения при взаимодействии с веществом приемного преобразователя превращается в тепловую энергию, которая измеряется тем или иным способом.

Шире других распространены твердотельные тепловые измерительные преобразователи. Приемные элементы таких преобразователей часто изготавливают в виде полости – полого конуса, сферы с отверстиями, полого цилиндра и комбинаций этих элементов. За счет использования эффектов многократных переотражений излучения внутри полости удается увеличить поглощение приемного преобразователя и тем самым расширить рабочий диапазон длин волн, а также увеличить верхний предел измерения мощности лазерного излучения.

Для измерения тепловой энергии, выделившейся в приемном элементе обычно используют термоэлектрический эффект Зеебека, болометрический эффект - явление изменения сопротивления металлов и полупроводников при изменении температуры.

Основными параметрами измерителей мощности лазерного излучения являются: диапазон измеряемых мощностей, спектральный диапазон, быстродействие, значение коэффициента преобразования световой энергии в электрический сигнал.

Устройство и принцип действия измерительного преобразователя
ПИ- 7

ПИ-7 предназначен для преобразования средней мощности лазерного излучения в электрический сигнал измерительной информации при следующих характеристиках излучения на входе: диапазон мощности (10 мкВт - 1 Вт), спектральный диапазон (0.4 – 120) мкм, максимальная плотность мощности - 50 Вт/см², диаметр пучка излучения – не менее 4 мкм.

Преобразователь (см. рис. 1.1) представляет собой массивный блок пассивного термостата, в котором установлены два чувствительных приемных элемента, один из которых (верхний) является рабочим, другой (нижний) – компенсационным.

Чувствительный приемный элемент представляет собой приемный конус с высокой поглощающей способностью в широком спектральном диапазоне. На наружной поверхности конуса намотана обмотка нагревателя, предназначенная для электрической калибровки преобразователя. К наружной поверхности выравнивающего медного конуса приклеены термобатареи, «горячие» спаи которых расположены на наружной поверхности выравнивающего конуса, а «холодные» на массе блока. Термобатареи рабочего элемента включены навстречу термобатареям компенсационного элемента.

Работа преобразователя основана на преобразовании средней мощности лазерного излучения, падающего в приемный конус рабочего приемного элемента, в термо-ЭДС, пропорциональную мощности падающего излучения. Измеряемое излучение, попадая в приемный элемент, поглощается в нем, в результате чего происходит нагрев конуса. Тепловой поток перетекает с приемного конуса через обмотку нагревателя, выравнивающий конус с термобатарей на массу пассивного термостата. Возникшая разность температур между наружной поверхностью выравнивающего конуса и блоком термостата с помощью термобатарей преобразуется в электрический сигнал.

На передней панели ПИ-7 размещены два входных отверстия, имеющих маркировки «ПРИЕМНИК РАБОЧИЙ» и «ПРИЕМНИК КОМПЕНСАЦИОННЫЙ», закрытых защитными крышками. На боковой стенке установлены разъемы: «Щ₁» и «Щ₂» для подключения калибровочного сигнала от внешнего источника. Кроме того, на боковой стенке установлена клемма заземления. На противоположной боковой стенке расположен выделенный под шлиц потенциометр «РЕГ. ЧУВСТВИТ.» – для регулировки коэффициента преобразования ПИ-7.