用於測量高重複率脈衝雷射的熱電感測器

熱電能量感測器基於熱極化熱電晶體的原理，從而產生與晶體吸收的熱量成比例的電荷。最簡單形式的熱釋電能量探測器將是一個薄的熱電晶體，其兩面都金屬化，以收集並聯電容器產生的電荷，產生與能量成比例的電壓，並用並聯電阻器排出產生的電荷，以準備好下一個脈衝。如下圖所示：

上述系統對於短持續時間脈衝和低重複率即低佔空比工作良好，其中脈衝之間的時間與脈衝持續時間相比較長，至少10:1並且優選地遠大於此。然而，如果占空比較短，則會出現非線性效應，如下圖所示：

我們看到出現了幾個問題：

1.    電壓可能在雷射脈衝結束之前開始衰減，導致能量讀數較低。
2.    在下一個脈衝到來之前電壓尚未衰減，因此讀數從非零點開始。
3.    晶體因先前的脈衝而變熱，因此當下一個脈衝到來時，晶體因新脈衝而升溫，同時又因先前的脈衝而冷卻。因此，脈衝前後的溫度差小於冷晶體，因此能量讀數也會較低。

Ophir 透過感測器頭中內建的複雜電子電路解決了這些問題。基本的解決方案是代替固定電阻來洩放電荷，電路在脈衝期間保持高阻抗，因此電荷不會洩放，並且在脈衝之間保持低阻抗，因此晶體將在結束後立即為下一個脈衝做好準備前一個脈衝。這是透過專有且複雜的電路來實現的，其中包括負回饋，但在下圖中示意性地說明為開關打開和關閉：

上述方法導致性能顯著提高。我們可以獲得接近 50% 的佔空比，而不是 5-10% 的佔空比。我們可以安排電路以低重複率測量長脈衝，並在高重複率下測量短脈衝（其中使用者選擇最大脈衝寬度設定），而不是在最大脈衝寬度能力和最大重複率之間進行固定權衡。在同一感測器中，我們可以獲得高達 10 KHz 的重複率和長達 5 ms 的脈衝寬度。對於高重複率偵測器，這是傳統不可切換方法可用的最大脈衝寬度的 100 倍以上。

上述方法也優化了雜訊行為，因為對於短脈衝，積分時間可以很短，從而最大限度地減少雜訊。 這也導致了最大到最小可測量能量的更大動態範圍。

Ophir 最新的熱電感測器系列緊湊型C系列採用了這種先進技術以及升級的電子和機械裝置，在各方面均具有卓越的性能：更緊湊、更寬的動態範圍、更高的重複率並且可以測量更長的脈衝。

文章來源: https://blog.ophiropt.com/pyroelectric-sensors-for-measuring-high-repetition-rate-pulsed-lasers/