Bien établi dans ce domaine depuis plus de 30 ans, Gentec Électro-Optique est un leader dans le domaine de la mesure de la puissance et d'énergie laser. Le seuil de dommage en puissance moyenne de 100 KW/cm2 de notre série WB est toujours sans égal. Gentec-EO vous offre aussi des détecteurs de puissance à large bande spectrale uniforme pour utilisation générale (séries UP12E-H5 & UP19K-H5), une grande résistance aux dommages causés par une densité élevée de puissance crête dans l'ultra-violet et l'infrarouge (série UP19K-V) et, pour les gros travaux, des détecteurs de puissance moyenne élevée comportant des détecteurs refroidis par ventilateurs ou à l'eau (séries UP25N-H9 & UP55N-H9). Tous nos détecteurs sont également disponibles en version OEM. Peu importe vos besoins, Gentec Électro-Optique a la solution.
Le fonctionnement
Le détecteur de puissance laser est essentiellement une thermopile. L'application la plus courante pour les thermopiles, en fait, là d'où provient son nom familier de « refroidisseur thermoélectrique », est quand une tension est appliquée pour refroidir un côté de la thermopile. Les thermopiles pour la mesure de la puissance laser sont cependant utilisées de la façon inverse. C'est-à-dire qu'une différence de température sert à créer une tension. D'un côté on retrouve un matériau qui est chauffé par le laser et, de l'autre côté, on a un dissipateur thermique. La puissance laser absorbée par ce matériau est convertie en chaleur. Avec l'absorbeur chaud sur une surface et le dissipateur thermique froid sur l'autre, il y a une différence de température à travers le dispositif thermoélectrique et donc écoulement de chaleur. Cette différence de température fait en sorte que la thermopile génère une tension. Cette tension est proportionnelle à la différence de température qui est à son tour proportionnelle à la puissance laser. Le moniteur mesure cette tension pour fournir une lecture de la puissance en watts. Les figures 1a et 1b montrent les principes de base des détecteurs de puissance fonctionnant par thermopile.
L'absorbeur
Le matériau d'absorption optique est l'une des parties les plus critiques du détecteur. Les caractéristiques de ce matériau déterminent en grande partie le rendement du détecteur, particulièrement sa résistance aux dommages causés par les impulsions. Ce matériau absorbe la plus grande partie de la puissance laser et la convertit en chaleur. Une fraction est réfléchie; cette fraction peut varier de quelques pour cent à 50 pour cent de la puissance optique totale, selon le matériel et l'application voulue. La quantité réfléchie est indiquée sur la courbe de réponse d'absorptivité spectrale pour le matériau. Avec un matériau d'absorption comme notre revêtement noir à large bande, environ 94% de l'énergie peut être absorbée à travers une grande gamme de longueurs d'ondes (190 nm à 11 microns) avec à peine de petites variations, c'est donc un absorbeur spectral uniforme. Il est efficace et, grâce à sa faible masse thermique, conduit rapidement la chaleur.
D'humbles débuts
Une thermopile est simplement un agencement de thermocouples connectés en série très près les uns des autres. La technologie sur laquelle sont fondés tous les détecteurs de puissance laser thermiques remonte en fait à 1821 ! C'est alors que Thomas Seebeck a joint ensemble deux fils de matériaux différents aux deux extrémités et a découvert qu'il s'écoulait un courant électrique quand il chauffait une extrémité. De plus, il a constaté que la tension entre des jonctions était proportionnelle à la différence de température entre elles. Ceci est appelé la tension de Seebeck et elle est devenu le fondement du thermocouple. Des années plus tard, Lord Kelvin (William Thomson) a expliqué ce phénomène. Essentiellement, la chaleur fait que des électrons se propagent d'une extrémité à l'autre d'un fil. Puisque l'effet est différent pour des métaux différents, il y a une différence nette dans la tension là où les métaux sont joints, de là la tension de Seebeck. Peltier a fait sa contribution en 1834 en observant que la chaleur pourrait être contrainte à s'écouler dans, ou hors de, la jonction selon la direction donnée au courant. Les thermocouples modernes sont faits en joignant des alliages de métaux spécialement formulés et même des matériaux semi-conducteurs spécialement dopés.
Le thermocouple
Le thermocouple est essentiellement composé de 2 fils de métaux différents reliés aux deux extrémités tel qu'illustré à la figure 2. Une jonction va au côté « chaud » du dispositif et l'autre va au côté « référence » ou « froid » du dispositif. Dans la mesure de la puissance laser, la jonction chaude est placée à côté du matériau absorbant et l'autre jonction à côté du dissipateur thermique. Toute différence de température entre les deux jonctions créera une différence de tension entre elles. Cette tension électrique est proportionnelle à la différence de température, donc à la puissance laser. C'est la tension mesurée par le moniteur de puissance afin de fournir la lecture de puissance.
La thermopile
Un thermocouple ne peut produire qu'une faible tension; un ensemble de thermocouples est connecté en série pour augmenter la sensibilité et accroître le signal de sortie. Dans cet ensemble, au lieu d'avoir deux fils joints deux fois l'un à l'autre, chaque fil est joint à deux fils de l'autre type, par ses extrémités. Les jonctions s'alternent ainsi dans les deux sens pour que chaque fil ait une jonction sur le côté chaud et une autre sur le côté froid. Voir figure 3. Plus il y a de jonctions et plus elles sont rapprochées, moins la thermopile sera sensible à la position du faisceau laser. Cela la rendra aussi plus sensible afin que vous obteniez plus de tension pour une même puissance laser.
Thermopile de type gaufre
Deux sortes de thermopiles sont utilisées dans la mesure de la puissance laser. La première est la thermopile de type gaufre montrée à la figure 1a et l'autre est le type disque montré à la Figure 1b. Gentec-EO utilise les deux sortes. La première ressemble à une gaufre, ou un sandwich, avec des thermocouples entre les deux côtés. Une face rectangulaire de la thermopile à gaufre reçoit la chaleur. Cela crée un gradient thermique élevé à travers la faible distance jusqu' à l'autre face en contact avec le dissipateur thermique. L'ensemble de thermocouples à semi-conducteurs dans la thermopile produit une tension proportionnelle à ce gradient. En raison du rapprochement des thermocouples, du grand nombre de thermocouples dans la gaufrette et du gradient élevé de température à travers les deux surfaces, la tension de sortie de cette thermopile est la plus sensible à la puissance laser et la moins sensible à la position et la taille du faisceau.
Avantages
Vous obtiendrez des mesures reproductibles peu importe où vous ciblez le faisceau dans l'ouverture ou à quel diamètre vous l'étendez ou le concentrez pour votre application. La sensibilité élevée vous donne le meilleur rapport signal/bruit possible pour obtenir des mesures fiables et répétables. Notre méthode d'étalonnage est retraçable au NIST, ce qui assure une excellente précision. Tous les fabricants de détecteurs de puissance laser étalonnent sous un ensemble limité identique de conditions qui incluent normalement l'expansion du faisceau pour couvrir uniformément la plus grande partie de l'ouverture. La plupart des applications ne couvrent pas uniformément l'ouverture si facilement. Donc, en pratique, moins la thermopile est sensible à la position du faisceau, plus vos mesures de puissance seront précises et répétables. Vous apprécierez cela, surtout si votre faisceau ne correspond pas aux conditions d'étalonnage. Étant donné que la reproductibilité est si importante, Gentec-EO utilise la thermopile à gaufre de semi-conducteurs dans les séries PS-310, 330 et 350. En conséquence, ces détecteurs de puissance sont peu sensibles aux changements de position ou de diamètre du faisceau. Leur sortie variera typiquement de moins de 1 %, ce qui représente la meilleure performance disponible.
Thermopile à disque
Lorsqu'une puissance moyenne élevée est absorbée et qu'elle doit se propager directement à travers les thermocouples, la température devient assez chaude pour endommager les jonctions. C'est le moment où la thermopile à disque démontre son avantage. La figure 1b montre que les thermocouples sont disposés radialement sur un disque. Un ensemble de jonctions est disposé sous l'ouverture alors que l'autre ensemble est situé sur le pourtour du disque, qui est attaché à un dissipateur thermique. La puissance du laser chauffe l'absorbeur au centre et crée une différence de température entre le centre et le bord. Les thermocouples produisent une tension correspondant à cette différence comme dans la thermopile à gaufre. La différence principale est que la chaleur s'écoule radialement par le disque qui peut recevoir plus de puissance moyenne, surtout avec un refroidissement convenable. La thermopile à disque a aussi un temps naturel de réponse plus rapide. Gentec-EO offre une gamme complète de détecteurs qui combinent cette technologie récente de disque avec divers modules de refroidissement tels que dissipateur de chaleur, air forcé et à l'eau.
Anticipation
La réponse de tension d'une thermopile à la puissance d'entrée est prévisible et peut être modélisée. Tous les moniteurs Gentec-EO ont des circuits et des logiciels qui modélisent le signal d'entrée et anticipent exactement la puissance crête avant l'élévation complète de température. Ce circuit « d'anticipation» permet aux thermopiles à gaufre d'avoir un temps de réponse fortement accéléré lorsqu'ils sont utilisés avec un moniteur de Gentec-EO par rapport au temps de réponse naturel du dispositif. L'anticipation offre aussi un gain notable au niveau de temps de réponse des thermopiles à disque.
Seuils de dommage
Puissance moyenne
Une puissance moyenne trop élevée surchauffe le détecteur jusqu'à ce que les jonctions des thermocouples soient endommagées. En conséquence, la thermopile elle-même et le mode de refroidissement déterminent la capacité de puissance moyenne du détecteur. Ces dommages risquent aussi de survenir si les spécifications du produit ne sont pas respectées.
Densité de puissance moyenne
Le fait de concentrer beaucoup d'énergie sur une très petite zone de l'absorbeur peut l'endommager. La composition de l'absorbeur limite souvent donc la quantité d'énergie et de puissance que peut prendre le détecteur. Le dommage peut être causé par une surchauffe locale lorsque la densité de puissance moyenne est trop élevée. Il en résulte une fusion, une vaporisation et/ou une fissuration de l'absorbeur. Les lasers CW, quasi-CW ainsi que les lasers à haut taux de répétition, tel que ceux utilisés en micro usinage, peuvent générer une telle densité de puissance moyenne, surtout lorsque le faisceau est de très petit diamètre. Pour ce type de laser, nous offrons les PS-310WB et PS-330WB qui ont un seuil de dommage en densité de puissance moyenne de 100 kW/cm2, le plus élevé qui soit présentement disponible sur le marché.
Densité de puissance crête
Lorsque l'énergie est concentrée sur une période de temps trop courte ou sur une zone trop restreinte, la surface de l'absorbeur peut se retrouver partiellement vaporisée. Si la thermopile, placée sous l'absorbeur, est exposée, la sensibilité du détecteur peut être affectée. Les détecteurs volumiques (VM et VH) de la série UP sont conçus pour résister à de forte densité de puissance crête en distribuant l'énergie à travers le volume de l'absorbeur au lieu d'être concentrée sur la surface de l'absorbeur. Ceci répartit l'énergie dans un volume cylindrique plutôt que sur une simple surface du diamètre du faisceau. Des densités d'énergies supérieures à 30 J/cm² et des densités de puissance crête dépassant les 100 GW/cm² sont possibles, en fonction de la longueur d'onde. S'ils sont endommagés, les verres des absorbeurs de volume peuvent être remplacés par les utilisateurs en suivant les instructions appropriées
Longueur d'onde
L'autre considération d'importance est la longueur d'onde. L'énergie dégagée par les grandes longueurs d'ondes, telle que celles de l'infrarouge, tend à pénétrer plus loin dans l'absorbeur. Le dommage causé par un dépassement des spécifications peut se manifester à la jonction absorbeur/thermopile et puis graduellement remonter à la surface. Aux longueurs d'ondes plus courtes, l'énergie est concentrée plus près de la surface de l'absorbeur. Dans le cas de l'UV, les photons sont tellement énergétiques et concentrés à la surface qu'ils peuvent causer des dommages au niveau électronique en plus des dommages optiques/thermiques. Essentiellement, ils arrachent des électrons des atomes de l'absorbeur. Gentec-EO offre des absorbeurs à large bande pour toutes sortes de longueurs d'onde ainsi que des absorbeurs spécifiques à une seule. En pratique, une combinaison des deux mécanismes est souvent en jeu et les deux peuvent être visibles. En pratique, faites attention de ne pas dépasser les seuils de dommage recommandés par le manufacturier et lorsque nécessaire, prenez soin de corriger vos lectures en fonction de la longueur d'onde conformément à la courbe d'absorptivité spectrale pour le matériau utilisé.
Tout compte fait
Un dommage fait à la surface de l'absorbeur pose un problème seulement s'il change le rapport entre la puissance réfléchie et celle absorbée à la longueur d'onde de votre laser. Des décolorations, visibles à l'oeil nu, peuvent n'avoir aucun impact à la longueur d'onde de votre laser, si cette dernière est en dehors du spectre de la lumière visible. D'autres fois, ces décolorations peuvent avoir un impact très important. Si plus de puissance est réfléchie, moins de puissance sera absorbée et le détecteur sera donc moins sensible qu'à son étalonnage. Si le dommage est sévère et semble affecter la précision de vos résultats, n'hésitez pas à retourner le détecteur pour qu'il soit réparé et étalonné. Nous vous suggérons de faire étalonner vos détecteurs à chaque année.
Qualité
En plus de toute l'attention que nous portons à la précision de nos appareils de mesure, Gentec-EO offre quelques-uns des détecteurs les plus robustes sur le marché. Ils sont le complément parfait de toutes les applications OEM qui exigent une instrumentation robuste. Vous verrez notre souci de qualité dans les moindres détails, du câble de raccordement au support du détecteur.
Câbles
Tous les détecteurs de puissance Gentec-EO sont livrés avec un câble audio, haut de gamme et à la fine pointe de la technologie. Ce câble très flexible possède une excellente résistance aux bruits électromagnétiques.
Solutions pour tous les besoins
Les lasers sont offerts en de nombreuses variétés pour desservir de multiples applications, mais ils ont tous un besoin en commun. Ce besoin est de connaître la puissance ou l'énergie présente en un endroit précis de la trajectoire optique, du laser à la cible. Les tableaux suivants vous aideront à choisir les produits Gentec-EO qui conviennent le mieux à vos besoins.
