Mesures de la puissance et de l'énergie des lasers à l'aide de détecteurs pyroélectriques IR
Les détecteurs pyroélectriques sont utilisés depuis de nombreuses années pour mesurer la puissance et l'énergie des lasers à ondes entretenues et à impulsions. Cette note explique la technique d'utilisation de ces dispositifs pour ces applications et les subtilités qui les rendent idéaux pour de nombreuses utilisations dans le domaine de la puissance et de l'énergie.
Principe de fonctionnement
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Les détecteurs pyroélectriques se distinguent des autres détecteurs thermiques par le fait qu'ils n'ont pas de réponse en courant continu ou en ondes entretenues. Pour produire une sortie, ils doivent subir un changement de température induit optiquement (IR). Cela se fait classiquement en émettant des impulsions ou en découpant l'énergie d'entrée. La fréquence minimale de découpage ou d'impulsion est déterminée par la constante de temps thermique du dispositif, qui est analogue au taux de fuite de chaleur. Cette constante de temps est généralement de l'ordre de 10 à 300 msec et peut être spécifiée. Si le détecteur est configuré pour des applications à très haute puissance, la chaleur générée par la puissance absorbée doit être dissipée et, dans ce cas, la constante de temps est considérablement réduite en chauffant l'élément.Ces détecteurs IR sont en fait des générateurs de charge où la charge produite est fonction du changement de température.
Cependant, la charge est rapidement dissipée en raison de la thermalisation de l'élément (retour à la température ambiante) causée par la fuite de chaleur (constante de temps). La charge produite par le changement de température en fonction du temps (Coul/sec) donne lieu à un courant qui est fonction de la puissance absorbée par l'élément. Le dispositif produit donc une réponse en courant par laquelle il est spécifié (A/W). C'est pourquoi ils sont généralement modélisés électriquement comme des sources de courant en parallèle avec leurs propres capacités.
En tant que condensateurs, ils sont des dispositifs à haute impédance et agissent donc comme des intégrateurs de la tension produite par leur courant induit thermiquement. La tension produite en fonction du temps est donc la suivante
Afin de résoudre une impulsion et de mesurer sa puissance (Watts), la constante de temps électrique du détecteur doit être réduite, ce qui est réalisé par l'ajout d'une résistance de shunt (Rl) dont la valeur est fonction de la fréquence de l'impulsion.
En général, la constante de temps électrique doit être au moins égale à 1/10 de la largeur de l'impulsion.
La tension de sortie sera :
Où Zeff est l'impédance totale du détecteur et Pd la puissance optique d'entrée.
Il convient de noter que l'impédance d'entrée de l'instrument de mesure et la capacité de tout câblage doivent être considérées comme faisant partie de Zeff.
doivent être considérées comme faisant partie de Zeff. Souvent, un amplificateur de transimpédance est utilisé pour mieux coupler le détecteur à l'instrument de mesure.
l'instrument de mesure.
Dans l'application, les impédances requises pour résoudre l'impulsion sont si petites que la tension produite est très faible et peut approcher la limite du rapport signal/bruit de l'équipement de mesure. Dans ce cas, l'énergie totale de l'impulsion est mesurée en Volts/Joule.
L'impulsion de sortie se présente comme suit :
L'amplitude de l'impulsion est l'énergie totale de l'impulsion thermique détectée. La puissance moyenne (Watts) de l'impulsion peut être calculée à partir de la valeur V/J et de la largeur de l'impulsion. L'un des inconvénients de l'utilisation de ces détecteurs ou de tout autre détecteur pour mesurer les impulsions laser est l'endommagement induit par ces courtes impulsions à haute énergie où la puissance moyenne est faible mais où la puissance de crête est suffisante pour endommager l'élément. Dans ce cas, des dispositifs très bon marché basés sur d'autres matériaux beaucoup moins chers sont utilisés et sont considérés comme ablatifs car le coût de remplacement est très faible.
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