Kalorimetrische und thermopile Laserleistungs-Sensoren im Vergleich

Betriebsarten, Ähnlichkeiten und Unterschiede im Überblick

Die Ophir Leistungs- und Energiesensoren messen gepulste und Dauerstrich-Laser unterschiedlicher Wellenlängen, Leistungen, Strahlgrößen. In diesem Beitrag diskutieren wir zwei Sensortypen, die die Laserleistung basierend auf der vom Laser erzeugten Wärme messen: Kalorimeter und Thermopile.

Der erste Sensortyp arbeitet nach dem kalorimetrischen Prinzip. Gemessen wird dabei die Wärme, die aus chemischen Reaktionen oder physischen Änderungen in Materialien entsteht. Der erste Teil des Begriffs “Kalorimetrie” stammt vom lateinischen “calor” ab und bedeutet Wärme oder Hitze. Der zweite Teil lässt such auf den griechischen Begriff „metron“ für messen zurückführen. Bei dieser Methode wird das Laserlicht vom Sensor absorbiert und in Wärme umgewandelt. Anschließend wird der Temperaturanstieg gemessen, der durch den Laserstrahl verursacht wurde. Daraus lässt sich die optische Leistung des einfallenden Strahls bestimmen. Für kurzzeitige Messungen (bis zu einigen Sekunden) gilt für den Betrieb des Kalorimeters die grundlegende Gleichung:

Q = mC_vΔT,

Dabei steht Q für die übertragene Wärme, die vom Laser auf das Messgerät übertragen wurde, m ist die Masse des erwärmten Materials, C ist die spezifische Wärmekapazität (gibt an, welcher Wärmeeintrag ein Material um 1 °C erwärmt) und ΔT ist die Temperaturänderung. Die Comet Familie tragbarer Ophir Sensoren nutzt dieses Messprinzip und arbeitet ohne aktive Kühlung.

Zur kontinuierlichen kalorimetrischen Messung muss die entstehende Wärme abgeführt werden. Bei höheren Leistungen wird dazu ein geschlossener Kühlkreislauf mit Wasser verwendet. Durch die genaue Berechnung von Durchflussrate und Temperaturanstieg des Kühlmittels im Sensor lässt sich die optische Leistung des ursprünglichen Laserstrahls berechnen; dabei wird die folgende Formel verwendet:

P = q_vC_vΔT,

P ist die Laserleistung, qv die Durchflussrate des Kühlmittels und Cv die Wärmekapazität des spezifischen Kühlmittels.

Im Vergleich dazu sehen wir in Abbildung 1 die Funktionsweise eines thermophilen Sensors. Der Laserstrahls trifft die Mitte des Sensors, wird dort absorbiert und in thermische Energie umgewandelt. Der Umfang des Sensors ist mit einer Wärmeableitung verbunden (Heat Sink mit Wasser- oder Luftkühlung), die für einen radialen Wärmefluss von der Mitte zu den Rändern hin sorgt. Es entsteht ein Temperaturgradient (heißer in der Mitte, kühler am Rand). Dieser Temperaturgradient wird nur von der Laserleistung bestimmt, und eignet sich damit als relevante Messgröße.

Gemessen wird diese Größe, in dem ein Thermopil auf der Sensorscheibe aufgebracht wird. Dieses nutzt den Seebeck Effekt, um eine messbare Ausgangsspannung proportional zum Temperaturunterschied zu erzeugen. Die Anordnung des Thermopilen um die Absorptionsfläche des Sensors stellt sicher, dass die Messungen von Größe und Position des Laserstrahls unabhängig bleiben.

Dieses Design arbeitet bis hinauf auf eine Laserleistung von 5 kW sowohl mit Luft- als auch mit Wasserkühlung sehr zuverlässig. Bei höheren Laserleistungen wird ein goldbeschichteter Reflektor verwendet, um den Strahl aufzuweiten und die absorbierte Laserleistungsdichte zu reduzieren. Dieses Design lässt sich bis 30 kW anwenden. Geht die Laserleistung darüber hinaus, beeinflussen praktische Überlegungen die Leistungsfähigkeit des Sensors. Eine weitere Skalierung nach oben wird deshalb nicht empfohlen. Der größte thermopile Ophir Sensor kann bis zu 30 kW Laserleistung messen, er wird in Abbildung 2 gezeigt.

Betrachten wir nun die Vorteile jeder der beiden Messtechniken:

Thermopile Leistungsmesser sind vielseitiger als Kalorimeter, da sie in einem größeren Messbereich – von Milliwatt bis Kilowatt – eingesetzt werden können. Bei den Kalorimetern ist auch die Messung geringer Leistungen eingeschränkt, da diese Messungen durch die erforderlichen präzisen Durchflussmesser und Temperatursensoren begrenzt werden. Im Gegensatz dazu messen thermopile Sensoren auch niedrige Leistungen einfach und schnell.

Thermopile Leistungssensoren antworten schneller als kalorimetrische Sensoren, da die messbare Spannung durch die kreisförmige Verteilung der Wärme schnell anliegt.

Im Vergleich dazu benötigen die Kalorimeter aufgrund der größeren Masse länger, um einen ausreichend stabilen Status zur Temperaturmessung zu erreichen. Obwohl technologische Weiterentwicklungen die kalorimetrischen Messungen beschleunigt haben, liegt die Messzeit für Laserleistungen über 30 kW immer noch im Bereich mehrerer Sekunden.

Darüber hinaus erfordern thermopile Sensoren typischerweise einfachere Kühlsysteme. Bei niedrigen Leistungen genügt eine passive Kühlung oder ein Ventilator, so dass die Installation einfach ist. In höheren Leistungsbereichen ist eine Kühlung erforderlich, doch auch in diesem Fall ist die Kühlung einfacher: Im Gegensatz zu kalorimetrischen Messungen muss weder ein kontinuierlicher Kühlstrom noch eine bestimmte Temperatur eingehalten werden.

Doch auch wenn thermopile Sensoren aufgrund der vorangegangenen Betrachtungen komfortabler erscheinen, auch kalorimetrische Messungen haben einzigartige Vorteile: Optische Leistungen lassen sich mit der Messmethode direkter und gegebenenfalls auch präziser messen. Zusätzlich bieten sie eine sehr lineare Antwort über verschiedene Leistungsebenen hinweg. Durch die direkte Kühlung des Absorbers lassen sich mit kalorimetrischen Messgeräten höhere Leistungen messen als mit thermopilen Sensoren. Tatsächlich basieren die meisten Sensoren für mehr als 30 kW Leistung auf dem kalorimetrischen Prinzip.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich zur Messung hoher Laserleistungen, insbesondere im Multi-Kilowatt-Bereich über 30 kW, kalorimetrische Messgeräte hervorragend eignen. Andererseits, wenn Sie Wert legen auf einen einfachen Messaufbau und insgesamt ein größerer Leistungsbereich abdedeckt werden muss, ist der thermopile Sensor die praktischere Lösung. Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Eigenschaften der beiden Messmethoden zusammen:

• Laser Power & Energy Measurement
• Laser Power & Energy Sensors