sensores térmicos

a maioria dos medidores de energia são baseados no princípio de um detector térmico : poder ótico é convertido em energia de aquecimento em alguma estrutura absorvente com uma revestimento preto, e o aumento de temperatura resultante (ou na verdade, a diferença de temperatura entre o absorvedor e o suporte) é medido, por ex. com uma termopilha. tal medidor de energia térmica (ver figura 1) é útil para potências médias entre ≈ 0,01 w e vários quilowatts (mas observe que uma única cabeça do sensor não pode abranger todo o intervalo). Normalmente, algum resfriamento com um fã ou mesmo com a água é necessária para potências acima de aproximadamente 10 W.

medidores de energia térmica são bastante robustos (embora foco muito rígido no absorvedor devam ser evitados), moderadamente precisos, utilizáveis ​​em um amplo Comprimento de ondaintervalo (com razoavelmente sensibilidade independente do comprimento de onda) e relativamente lento.

Quando um medidor de energia térmica está definido para alta sensibilidade ( responsividade ), por exemplo, para uma potência máxima abaixo de 100 mW, sua montagem deve não ser tocado com a mão durante medições. Este é porque qualquer aquecimento do monte pode induzir diferenças de temperatura que modificar a leitura.

Fotodiodos

medidores de energia muito mais sensíveis e também mais rápidos podem ser feitos com fotodiodos , na maioria das vezes baseado em silício (Si), mas para o infravermelho próximo também em germânio (Ge). arseneto de índio e gálio (InGaAs) é menos comum para medidores de energia, uma vez que grande área InGaAs detectores são caros. poderes no microwatt região ou possivelmente ainda inferior pode ser medido. Estes instrumentos também podem ser usados ​​para medir altas potências quando um adequado atenuador é usado. Eles são, no entanto, menos robustos do que energia térmica medidores: eles são mais facilmente danificados quando exposto a muito alto intensidades ópticas .

devido à alta sensibilidade dos fotodiodos, eles também são adequados para cabeças de sensor com a esfera integradora . nesse caso, também se pode usar um InGaAs fotodiodo, porque uma grande área de entrada pode então ser alcançada apesar de uma pequena área fotodiodo.

Além disso, a sensibilidade de um fotodiodo é bastante dependente do comprimento de onda, de modo que um baseado em fotodiodo o medidor de energia geralmente requer que o usuário defina um comprimento de onda. O dispositivo então usa uma tabela de calibração interna para compensar o dependente do comprimento de onda responsividade . um deve claro, não se esqueça de ajustar essa configuração quando usando o medidor de potência para um laser operando em um comprimento de onda diferente, porque caso contrário, a calibração de energia estará errada. Obviamente, este método não funciona para vigas com uma banda muito larga ou variável espectro óptico, Considerando que pode ser perfeitamente adequado em situações onde o comprimento de onda do laser raramente é alterado.

resposta espectral

O o fabricante normalmente especifica uma certa faixa de óptica comprimentos de onda para qual a precisão da medição citada é alcançada. Para medidores de energia térmica, esse intervalo pode ser bastante amplo, por exemplo, estendendo-se até a infravermelho região espectral, porque não é muito difícil fazer uma banda larga absorvedor , por exemplo. com uma revestimento preto . observe que a faixa espectral citada pode ser menor do que a resposta espectral ; pode haver regiões de comprimento de onda onde o detector reage, mas não com uma resposta calibrada.

Baseado em fotodiodo os instrumentos também podem funcionar em uma ampla faixa de comprimento de onda, por exemplo, com Baseado em a Si diodo de o ultravioleta próximo a um pouco além de 1 μm, mas com aresponsividade variando substancialmente em tal intervalo. Portanto, conforme explicado acima, o usuário terá que definir o comprimento de onda e o instrumento geralmente terá que “acreditar” que isso a configuração está feita corretamente. em princípio, esse medidor de potência pode ser equipado com um sensor de comprimento de onda, mas isso não é comum.

faixas de medição de potência

a maioria dos medidores de energia permite que o usuário alterne entre diferentes faixas de medição de energia - por exemplo, com potências máximas de 0,1 W, 0,3 W, 1 we 3 W. Com um display analógico, leituras precisas são possíveis apenas quando escolhendo um intervalo de medição apropriado. mesmo para monitores digitais, deve-se escolha um intervalo apropriado, pois a precisão pode sofrer quando medindo em uma faixa muito alta.

O a potência máxima permitida para uma determinada cabeça do sensor é limitada principalmente por problemas de danos. Observe, entretanto, que pode-se facilmente danificar uma cabeça do sensor com potências ópticas muito abaixo da potência máxima permitida, quando entregando o feixe de entrada com um diâmetro de viga inadequadamente pequeno. O a intensidade local então se torna muito alta, o que é particularmente um problema para baseado em fotodiodo dispositivos. (Mesmo bem antes de ocorrerem danos, pode haver efeitos de saturação local, levando a leituras erradas.) as especificações do instrumento, portanto, geralmente incluem uma intensidade de entrada máxima permitida. Para operação com laser pulsos (particularmente de Q-comutado lasers ), pode haver uma especificação adicional para o pulso máximo permitido fluência (em J / cm 2 ).

O a faixa mínima de medição é limitada pelo ruído de medição - normalmente por ruído vindo de o sensor cabeça. Isso ruído pode ser um pouco reduzido por passa-baixa filtragem, quando uma resposta mais lenta é aceitável para o aplicativo. O a faixa mais baixa geralmente será escolhida de forma que a incerteza da medição ainda permaneça pelo menos 10 a 20 db abaixo da potência máxima.

Baseado em fotodiodo sensores de potência são muito mais sensíveis do que térmicas Aqui, as faixas de medição mais baixas estão geralmente na faixa de microwatt região ou possivelmente inferior. Para as faixas de medição sensíveis, será obviamente necessário evitar cuidadosamente as influências da luz ambiente, e. usando proteções adequadas (por exemplo tubos anodizados pretos ao redor do feixe caminho) e / ou trabalhando em um laboratório escuro.

precisão

as precisões de medição típicas são da ordem de ± 3 % ou ± 5 % para potências próximas da leitura máxima em um determinado intervalo de medição. potências bem abaixo do máximo em algum intervalo podem ser medidas com menos precisão.

substancialmente melhores precisões exigem recalibração regular e são, de qualquer forma, limitados pela uniformidade do detector (ver abaixo), desvios térmicos e outras influências.

Rapidez

sensores de energia térmica são intrinsecamente relativamente lentos - particularmente aqueles para altas potências, onde a capacidade térmica do sensor é provisoriamente maior. os tempos de resposta típicos são da ordem de 0,2 s a 2 s. mesmo baseado em fotodiodo os medidores de energia normalmente não são feitos muito rápido, pois um poderia de qualquer maneira, não li um display que é atualizado, por exemplo 10 vezes por segundo. Para medições de potência com uma medida mais alta largura de banda, outros tipos de instrumentos (certos fotodetectores ) deve ser usado.

área ativa e uniformidade de resposta

as áreas ativas típicas dos medidores de energia são circulares ou quadradas com dimensões entre 5 mm e alguns centímetros. áreas ativas maiores são normalmente oferecidas por maior potência dispositivos.

um possível problema com térmica e à base de fotodiodo medidores de potência óptica é a uniformidade de resposta. Para medidores de energia térmica, a falta de uniformidade pode resultar uma dependência do resultante absorbânciaou distribuição de temperatura para diferentes posições do feixe. Para fotodiodos , uma resposta não uniforme pode resultar facilmente de danificar com muito alto intensidades ópticas .

cabeças sensoras com a esfera integradora fornecer naturalmente a maior uniformidade de detector.

saídas eletrônicas

alguns instrumentos têm uma saída analógica (por exemplo, através de um BNC soquete), onde a tensão de saída é geralmente proporcional à potência de saída relativa à potência máxima em um determinado intervalo de medição.

interfaces digitais são muito versáteis, permitindo funcionalidade substancialmente expandida em um computador. Para exemplo, embora o registro de dados pode ser fornecido mesmo por dispositivos autônomos, pode ser mais conveniente processar e armazenar esses dados em um computador.

dimensões

O as dimensões mecânicas de um sensor de potência óptica podem ser bastante relevantes para aplicações, e. quando um sensor precisa ser temporariamente inserido em algum caminho de feixe, onde há pouco espaço disponível. existem alguns sensores portáteis muito planos, principalmente baseados em fotodiodos, que requerem muito pouco espaço.

fonte de energia

medidores de energia requerem alguma energia elétrica, que pode ser fornecido com uma fonte de alimentação externa ou com baterias (que são normalmente recarregáveis). operação alimentada por bateria é obviamente conveniente, eliminando outro cabo entre a necessidade de uma tomada próxima, mas, por outro lado, a necessidade de recarga regular também pode ser inconveniente. dispositivos conectados a um computador, por exemplo via USB cabo pode obter a energia de lá.