Измерение энергии лазерного импульса пироэлектрическим детектором
"При работе с импульсными лазерами на любом уровне исследований, разработки продуктов, окончательных испытаний, контроля какого-то процесса, полевого обслуживания или обеспечения безопасности лазеров, очень важно точно измерить энергию лазера(ов). С этой целью я хотел бы поделиться техническими знаниями, которые я получил за 40 лет работы в области лазерных измерений. В этой статье вы узнаете о параметрах, которые необходимо учитывать при выборе и использовании пироэлектрического детектора, а также о типичных шагах для проведения точных измерений энергии."
Дон Дули, генеральный директор Gentec-EO USA, Inc.
Выбор пироэлектрического детектора для определенного лазера
Энергия лазерного импульса в зависимости от диапазона энергии детектора
Первое, что нужно учитывать – это диапазон энергии, который нужно измерить. Чтобы охватить нижнюю границу диапазона, необходимо убедиться, что выбранный детектор имеет (эквивалентный уровень шума) в 20 или 30 раз ниже минимальной энергии, которую надо измерить. Например, если нужно измерить 100 мкДж, следует будет выбрать детектор с NEE 5 мкДж. Это соответствует соотношению сигнал / шум (SNR) 20:1. Что касается высокоэнергетической част диапазона, то придется учитывать два параметра. Первый – это максимальная указанная энергия, а второй – максимальная плотность энергии на длине волны и ширине импульса.
Диаметр лазерного луча в зависимости от диаметра детектора
Нужно выбрать детектор, активная область которого примерно вдвое больше, чем у лазера. Это помогает гарантировать, что все лазерное излучение поглощается детектором. Это также помогает усреднить любую пространственную неоднородность, которая может повлиять на измерения, и упрощает правильную настройку лазерного луча. Кроме того, всегда необходимо центрировать лазерный луч на датчике. Так как лазерный луч и датчик выравниваются таким образом во время калибровки, этот метод даст наиболее точные и повторяемые измерения.
Ширина импульса и частота повторения
Перед выбором детектора для измерения энергии импульса необходимо убедиться, что ширина импульса вашего лазера меньше указанной максимальной ширины импульса детектора. Это необходимо для того, чтобы выходное напряжение было линейным и прямо пропорционально энергии лазерного импульса. Кроме того, убедитесь, что частота следования лазера меньше или равна указанной максимальной частоте следования детектора.
Максимальная плотность энергии
Максимальная плотность энергии определяет точку, выше которой поглощающий материал детектора может быть поврежден (т. е. подвергнут абляции). Типичные характеристики максимальной плотности энергии могут сильно различаться в зависимости от типа материала абсорбента: она может составлять от 50 мДж/см2 для абсорбента BL или до 600 мДж/см2 для абсорбента MB (эти значения подходят для 7 нс импульсов на длине волны 1064 нм). Однако надо иметь в виду, что максимальная плотность энергии уменьшается с уменьшением ширины импульса.
Длина волны лазера также может влиять на максимальную плотность энергии. Как правило, чем короче длина волны, тем ниже порог повреждения. Абсорбент MB: максимальная плотность энергии составляет 0.6 Дж/см2 на длине волны 1064 нм и 0.5 Дж/см2 на длине волны 266 нм.
Если максимальная плотность энергии является проблемой для измерений, то следует рассмотреть возможность использования аттенюатора QED. Этот аксессуар увеличивает максимальную плотность энергии до 16 Дж/см2 для одиночного импульса на длине волны 1064 нм и до 6 Дж/см2 на частоте 10 Гц для той же длины волны.
Максимальная средняя мощность
Важно поддерживать среднюю мощность ниже максимальной средней мощности детектора, поскольку это влияет на точность измерений.
Как и все детекторы, пироэлектрические детекторы имеют «температурный коэффициент» около 0,2% / °C. Колебания температуры влияют на чувствительность детектора к напряжению во время работы. Например, повышение температуры на 10 °C из-за высокой средней мощности приведет к изменению чувствительности на +2%. Пребывание ниже максимальной средней мощности гарантирует, что измерения находятся в пределах характеристик погрешности.
Использование пироэлектрической энергии с осциллографом
При использовании детектора QE с адаптером DB-15 - BNC, подключенным к осциллографу, необходимо учитывать следующее:
- Осциллограф должен быть настроен на вход 1 МОм (не 50 Ом);
- Нужно установить временную развертку примерно на 1 мс (и при необходимости отрегулировать);
- Нужно установить шкалу напряжения на деление 100 мВ (и при необходимости отрегулировать);
- Когда детектор подвержен воздействию импульсного лазера, получается интегрированное выходное напряжение, которое поднимается от базовой линии до пика примерно за 500 мкс или меньше, необходимо измерить напряжение от базовой линии до пика;
- Чтобы определить энергию импульса, необходимо разделить измеренное напряжение на чувствительность по напряжению (В/Дж) детектора;
- Затем нужно будет применить поправочный коэффициент для длины волны на основе кривых спектрального поглощения или данных, поставляемых с детектором.
Типичное выходное напряжение пироэлектрического детектора.
Настройка детектора
Микрофонный отклик детектора
Все пироэлектрические детекторы демонстрируют пьезоэлектрический отклик на различные источники. При установке детектора на оптическую скамью рекомендуется использовать стойку Delrin, которая поставляеется с каждым детектором. Это обеспечивает изоляцию от механических вибраций, которые могут присутствовать в лаборатории, и предотвращает возможность создания контура заземления. Источником вибрации может быть насос, источник питания, вентилятор, оптический прерыватель и даже тяжелый грузовик, проносящийся мимо. Пьезоотклик, иногда называемый микрофонным шумом, проявляется в виде напряжения случайной частоты, наложенного на интегрированное выходное напряжение детектора. Необходимо как можно лучше изолировать детектор от всех источников вибрации.
Акустический отклик детектора
Другой источник пьезоэлектрического отклика может исходить от акустических источников в лаборатории проведения экспериментов, таких как звуки из динамика, грохот насоса или хлопки в ладоши. Чем ниже уровень энергии, который пользователь пытается измерить, тем более значительным будет акустический шум. Цель здесь – снова изолировать детектор от возможного акустического шума или просто удалить его источник.
Тепловые параметры
Пироэлектрические детекторы, как и все оптические и тепловые детекторы, имеют температурный коэффициент, как обсуждалось ранее. Поэтому очень важно, чтобы после того, как детектор установлен перед лазером, надо дать ему немного времени (от 5 до 10 минут) для достижения теплового равновесия. Затем можно продолжить измерения энергии импульса.
Оптические параметры
Если используется детектор компании Gentec-EO с делителем луча, плоским или клиновидным, важно помнить, что есть два отражения: отражение от передней поверхности и отражение от задней поверхности. Для точного измерения необходимо убедиться, что детектор видит только отражение от передней поверхности. Это будет немного сложнее для лазерного луча ближнего или дальнего ИК диапазона.
Этапы измерения энергии
- Установить детектор и визуально выровнять его по оптической оси выключенного (или заблокированного) источника;
- Подключить детектор к энергомонитору (например, к MAESTRO или M-LINK);
- Включить (или разблокировать) лазер;
- Использовать прилагаемую тестовую мишень, чтобы убедиться, что плотность энергии ниже порога детектора;
- Используя приспособление для юстировки, если необходимо (например, ИК-карту) и установив для лазера безопасный уровень энергии, осторожно ввести детектор в лазерный пучок;
- Настроить монитор на правильный энергетический диапазон (или установить автодиапазон);
- Убедиться, что уровень запуска достаточно низкий для запуска по импульсам, но достаточно высокий, чтобы он не запускался по фоновому шуму (т. е. микрофонному шуму). Уровень срабатывания по умолчанию для мониторов Gentec-EO составляет 2.0%. При измерении нижних частот детектора рекомендуется использовать функцию «внешнего триггера» монитора;
- Установить длину волны лазера на мониторе или в программном обеспечении PC-Gentec. Поглощение каждого детектора было точно измерено и сохранено в EEPROM детектора;
- Подождать, пока детектор достигнет теплового равновесия (от 5 до 10 минут);
- Теперь все готово к точным измерениям энергии импульса с помощью пироэлектрического детектора QE.
