サーモパイルレーザーセンサー

サーモパイル レーザーセンサー（図1）は、数μWから数Wまでのレーザー出力を測定するために使用されます（セクション2.4を参照）。^[2]レーザーの入射光は表面で熱エネルギーに変換されます。^[3]この熱入力により、センサー全体に温度勾配が生じます。熱電効果を利用して、この温度勾配によって電圧が生成されます。電圧は入射光に正比例するため、照射電力と直接関連付けることができます（セクション2.1を参照）。

フォトダイオードとは異なり、サーモパイルセンサーはUVからMIRまでの広い波長範囲で使用できます（異なる波長での吸収コーティングの特性によって異なります）。^{[4] [5]} さらに、フォトダイオードは逆バイアスされており、特定の値（通常はmW単位）を超える光パワーで飽和するため、^[6]サーモパイルセンサーは高出力測定に適しています。^[2]

焦電センサーと熱量計は、レーザーパルスのエネルギーを測定するために一般的に使用されています。^[7]焦電センサーは低～中エネルギー（mJ～J）を測定でき、マイクロフォニック効果の影響を受けやすいです。^[7]熱量計は高エネルギー（mJ～kJ）を測定できますが、応答時間が長くなります。^[7]

図2に示すように、サーモパイルレーザーセンサーは直列に接続された複数の熱電対で構成され、一方の接合タイプ（温度T ₁のホットジャンクション）は吸収領域に露出され、もう一方の接合タイプ（温度T ₂のコールドジャンクション）はヒートシンクに露出されます。レーザービームがサーモパイルセンサーの表面に当たると、入射光はコーティング層内で吸収され、熱に変換されます。この熱は、センサー全体に温度勾配を引き起こします。温度勾配は、

${\displaystyle {\frac {dT}{dx}}={\frac {T_{2}-T_{1}}{t}}}$[K/m],

ここでtはセンサーの厚さである。^[9]

熱電効果により、温度差によって各熱電対内に電圧が発生します。この出力電圧は入射する放射線の電力に正比例します。^[10]多数の熱電対が通常直列に接続されているため、数μVからVの電圧に達します。

一般に、サーモパイル センサーは、吸収体、センサー要素、および入ってくる熱を放散する冷却体の 3 つの要素で構成されます。

吸収層の厚さに応じて、サーモパイルセンサーは2つのカテゴリに分類できます。^[11]

表面吸収体の場合、吸収層の厚さは非常に薄く（0.1～100 μm）、全吸収長も薄い。^{[11]これは、長いパルス長のレーザー（通常はCWレーザー）のパワー測定に使用されます。パルス長が10 −7}～10 ⁻⁴秒の範囲のレーザーを使用すると、誘電破壊または熱の影響によりセンサーが損傷する可能性があります。^[12]熱損傷の場合、熱は短時間で蓄積され、次のパルスが到着するまで放散できません。これにより、薄い層にエネルギーが蓄積され、部分的な蒸発につながります。^[11]誘電破壊の場合、パルス中のピークエネルギー密度は、センサー表面を局所的にイオン化するのに十分高くなります。^[13]

短い光パルスによる損傷からセンサーを保護するために、吸収長が数ミリメートルの体積吸収体が使用される。^[11]これにより、光パワーが材料のかなりの深さにわたって吸収されるため、体積吸収体はより高いパルスエネルギー密度に耐えることができる。^[11]

サーモパイル レーザー センサーには主に 2 つのタイプがあり、センサー要素内の熱電対の幾何学的配置に応じて分類できます。

サーモパイルディスクは、図3(a)に示すように、アルミニウム板上に放射状に熱電対が堆積されている。^[8]すべての熱電対は電気的に直列に接続されており、1つの接合部は照射される内側領域の円周にあり、もう1つの接合部は外周にある。^[8]照射領域の吸収コーティングは、放射を熱に変換し、放射状に外側に流れ、内側リングと外側リングの間に温度勾配を生成して熱起電力を生成する。^[8]

図3(b)は、上面と下面の間に温度差が確立されている軸方向センサの断面図を示しています。熱電対はマトリックスに埋め込まれ、熱流に対して平行に配置され、上部と下部に接合部を形成します。^[8]この配置により、センサ全体の厚さを0.5 mmまで減らすことができます（図4）。^[8]

センサー全体に安定した温度勾配を確立するためには、入ってくる熱を放散することが重要です。^[15]そのため、センサーの冷たい側はヒートシンクに熱的に結合する必要があります。

この冷却方法では、センサーの冷たい側が熱伝導体（通常はアルミニウムヒートシンク）に取り付けられ、熱は伝導（熱伝導体を介して）と対流（空気の流れ）によって周囲に放散されます。^[15]

この冷却方法では、熱が積極的に環境に伝達されます。これは通常、受動的に冷却される検出器のヒートシンクにファンを取り付けるか、チャネル システムを通じて水をポンプで送り込んでセンサーを冷却することによって行われます。最適な選択は、放散される熱量、つまり検出器の電力によって異なります。

感度S [V/W]は、センサーへの入射レーザーパワーP [W]によって生成される電圧U [V]の比です。生成される電圧は熱電材料のゼーベック係数に依存する ため、材料固有の定数です。^[9]入射パワーは、センサー電圧を測定し、次の式を使用して計算できます。

${\displaystyle P={\frac {U}{S}}}$[W]。

実効感度はコーティング層の吸収特性に依存します。入射レーザー出力が一定であれば、吸収係数が大きいほど熱が多く発生し^[16]、出力電圧が増加します。

スペクトル範囲はコーティング材料の吸収特性に依存します。^[17]一般的に、広い波長範囲にわたって平坦な吸収スペクトルが望まれます。また、波長範囲や特定の波長に合わせて調整することもできます。

信号立ち上がり時間は、入射レーザーパワーのステップ関数にさらされたときに、センサーが全信号振幅の 95 パーセントに達するのに必要な時間です。これは、センサーの全体的な熱抵抗と熱容量に依存します。^[11]これら 2 つのパラメーターの大きさは、検出器の材料と形状に依存します。^[11] 軸方向センサーの立ち上がり時間は通常、ラジアルセンサーよりも短くなります。これは、軸方向センサーの熱質量と熱抵抗が低いためです。^[8]その差は 5 ～ 10 倍になる可能性があり、図 5 に示されています。^[8]

正確に測定できる最大電力は、センサーの種類、材料特性、および使用される冷却の種類によって異なります（セクション1.3を参照）。^[12]放射照度が大きすぎると、測定に誤りが生じたり、センサーが劣化したりする可能性があります。^[12]

センサーの最大レーザー出力密度は、コーティング材料のレーザー誘起損傷閾値によって決まります。^[13]閾値はレーザーの波長、パルス長、そしてある程度は吸収面の構造に依存します^[13]

センサーの感度は平均センサー温度によって変化します。これはゼーベック係数の温度依存性によるものです（セクション2.1を参照）。^[18]

依存性は準線形であるため、測定値に温度依存補正係数を乗じることで温度誤差を補正することができる^[19]

センサ温度が周囲温度と異なる場合、熱は検出された温度勾配に寄与することなく周囲に直接流れ、センサ出力を効果的に低下させます。^[20]このタイプの誤差は数mWのオーダーであり、したがって入射電力が低い場合にのみ顕著になります^[20]

背景誤差は、センサーを周囲温度に保ち、対流空気の流れを避けることで最小限に抑えることができます。また、非照明センサー（暗測定）の信号を減算することで補正することもできます。^[19]

サーモパイルレーザーセンサーは、主に広いスペクトル範囲に対する感度が必要な場合や、高いレーザー出力を測定する必要がある場合に使用されます。サーモパイルセンサーはレーザーシステムやレーザー光源に組み込まれ、フィードバック制御ループなどでレーザー出力の散発的および連続的な監視に使用されます。アプリケーションには次のようなものがあります。

EU規格（EN6001-1-22）によれば、すべての医療用レーザーシステムには冗長電力測定ユニットを装備する必要がある。精密な組織切断やアブレーションなどの処置では、レーザー出力は操作前、またはプロセス全体を通じて継続的に測定することができる。医療システムにサーモパイルセンサーを統合する1つの方法は、シャッターまたはビームリフレクター（図6）を使用することである。これは、フルレーザー出力の短い測定期間にビームパスに出し入れできる。^[21]

製造プロセスには精度と再現性が求められます。レーザー材料加工では、レーザー出力を監視することが、スクラップの発生を回避し、高品質の製品を生み出すために役立ちます。

パワー測定を統合する方法は様々です。図 6 では、ビーム スプリッターの後ろのビーム パスでの統合を示しています。図 7 は、連続監視のためにレーザー キャビティのバック ミラーの後ろに検出器を取り付けるオプションを示しています。このタイプの配置では、光学系の劣化などによってビーム パスのさらに下流で発生するビーム損失はマッピングされません。

代替案として、レーザーシステムの出力で散発的な測定を行うために検出器を使用することもできる。通常、この場合にはビーム全体が測定される。^[21]

レーザーシステムの外で散発的に測定する場合（メンテナンス中など）、別の測定ユニットが便利です。このようなパワーメーターでは、通常、センサー要素は機械的および熱的安定性のために金属ハウジングに組み込まれています。信号は読み取りユニットで記録および処理され、測定されたレーザーパワーが表示されます（図8）。^[21]

分光法や光通信に使用される短パルスレーザーは、特に体積吸収体を装備している場合はレーザー誘起損傷に対する高い閾値を備えているため、サーモパイルセンサーを使用して測定できます。（セクション 2.5 を参照）。

複数の熱結合サーモパイルセンサーを象限フォトダイオード設計（図9）に似た配置にすることで、ビームの位置とビームパワーを検出することができます。これは、ビームの位置合わせや、高い生産歩留まりのために正しいビーム位置が重要なプロセスに役立ちます。^[21]