Thermopiles haute vitesse

Thermopiles haute vitesse pour la série de capteurs Blink

Les capteurs thermiques haute vitesse basés sur ces toutes nouvelles technologies brevetées développées par Laser Point sont capables de mesurer l’énergie d’impulsions laser uniques avec des fréquences de répétition allant jusqu’au MHz, avec en plus la possibilité de mesurer également la puissance de sortie des lasers CW.

De plus, la nature thermique du capteur permet de travailler dans un spectre large bande, de l’UV au THz ainsi que la possibilité de fonctionner dans une large plage (10-3-102 W/cm2) de densités de puissance optique moyenne incidente du rayonnement laser, sans qu’il soit nécessaire d’adopter des filtres optiques ni d’autres précautions.

Les dispositifs thermoélectriques sont subdivisés en deux groupes différents: les dispositifs utilisant l’effet thermoélectrique longitudinal standard induit à la jonction de différents types de matériaux et les dispositifs basés sur l’effet de tension transversale induite par laser (LITV).

Les capteurs basés sur l’effet thermoélectrique longitudinal standard sont généralement conçus en adoptant de multiples thermocouples interconnectés électriquement, qui peuvent mesurer un flux thermique axialement à travers un substrat approprié. Ce type de capteurs utilisant l’effet thermoélectrique standard est une évolution de la conception de thermopile radiale courante. Fonctionnant sur un principe thermique, la gamme spectrale de ce type de capteurs est toujours large bande. Cependant, la conception thermique de ce type de capteurs ne permet que des temps de réponse relativement lents (actuellement supérieurs à 100 ms). De plus, la conception de thermocouples axiaux multiples implique souvent une faible couverture de la zone active du capteur.

Les capteurs utilisant l’effet de tension transversale induite par laser (LITV) transforment également un gradient thermique en un signal électrique. Des films minces de matériaux appropriés déposés peuvent présenter une réponse thermoélectrique transversale à la radiation laser. C’est-à-dire que si un gradient thermique est présent le long de la direction normale à la surface du film, une réponse thermoélectrique est générée, longitudinalement au plan de la surface du film. L’adoption de l’effet LITV présente l’avantage intrinsèque de montrer une bonne efficacité de conversion d’un signal thermique en tension électrique, tout en montrant des temps de réponse à l’échelle de la nanoseconde. Un autre avantage des dispositifs à base de LITV par rapport aux dispositifs thermoélectriques standard est la couverture uniforme de la zone active, par rapport à une conception basée sur des thermocouples disposés axialement.

L’avantage des capteurs utilisant l’effet LITV par rapport aux capteurs pyroélectriques et aux photodiodes pour la mesure du rayonnement laser est la combinaison d’un temps de réponse global rapide, d’une gamme spectrale à large bande, d’un seuil de saturation élevé pour la radiation laser directe et de la possibilité de mesurer des sources lasers pulsés et CW.

Linéarité de la réponse par rapport à la puissance

La réponse du capteur Blink sous un rayonnement laser CW, jusqu’à environ 50 W, est indiquée dans l’image ci-dessous. Les données montrent le signal de sortie du détecteur Blink sans aucune post-linéarisation. La ligne tracée indique l’ajustement linéaire, qui quantifie la linéarité du détecteur dans la plage mesurée avec un coefficient R de 0,9998. Avoir une bonne linéarité est crucial pour l’étalonnage du détecteur une fois fabriqué.

Linéarité de la réponse par rapport à l’énergie pulsée

La réponse du détecteur à des impulsions d’énergie et de durée d’impulsion différentes est indiquée dans l’image ci-dessous. Sur la même figure, il est également montré l’indépendance des mesures d’énergie de la durée d’impulsion τP, qui à son tour indique l’indépendance des mesures de la densité de puissance.

Les mesures de l’énergie des impulsions incidentes EP sont également indépendantes de la taille du spot et la plage d’énergie des impulsions détectées va de 10 µJ à des dizaines de mJ.

Temps de réponse

Différentes définitions peuvent être utilisées pour le temps de réponse. Nous utilisons ici la définition du temps de réponse de 0-100% (τ0-100), qui est le temps nécessaire au détecteur pour que le signal de sortie revienne au niveau de la ligne de base, après la fin de l’impulsion incidente du laser. Cette définition a été choisie car fmax = 1/τ0-100 définit la fréquence maximale mesurable d’un train d’impulsions laser par le détecteur.

Dans l’image ci-dessous, il est montré la réponse rapide du détecteur à un train d’impulsions laser avec une durée d’impulsion de 4ns et avec une fréquence de répétition de 1 MHz.

. Réponse optique et seuil de dommage

La nature thermique de l’effet LITV permet au détecteur de fonctionner dans une large gamme de longueurs d’ondes de rayonnement incident, à condition que le rayonnement électromagnétique soit absorbé et transformé en chaleur par le revêtement d’absorption.

Une caractéristique importante du revêtement est sa « planéité » spectrale, qui est d’une grande importance pour un étalonnage simple du détecteur. La réflectance optique du détecteur est représentée sur l’image. Dans toute la plage de mesure, c’est-à-dire de 250 nm à 1100 nm, la courbe de réflectance montre un comportement lisse et globalement relativement plat.

Il a été constaté que le seuil de dommage du détecteur dans sa configuration la plus rapide, c’est-à-dire avec une fréquence de 1 MHz, était supérieur à 30 mJ / cm² / impulsion pour des impulsions de 200 ns.