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热电堆型激光功率计设计与仿真

雷程 武学占 梁庭 马野 关一浩 董志超 李强 齐蕾

雷程, 武学占, 梁庭, 马野, 关一浩, 董志超, 李强, 齐蕾. 热电堆型激光功率计设计与仿真[J]. 红外技术, 2022, 44(2): 157-162.
引用本文: 雷程, 武学占, 梁庭, 马野, 关一浩, 董志超, 李强, 齐蕾. 热电堆型激光功率计设计与仿真[J]. 红外技术, 2022, 44(2): 157-162.
LEI Cheng, WU Xuezhan, LIANG Ting, MA Ye, GUANG Yihao, DONG Zhichao, LI Qiang, QI Lei. Design and Simulation of Thermopile Laser Power Meter[J]. Infrared Technology , 2022, 44(2): 157-162.
Citation: LEI Cheng, WU Xuezhan, LIANG Ting, MA Ye, GUANG Yihao, DONG Zhichao, LI Qiang, QI Lei. Design and Simulation of Thermopile Laser Power Meter[J]. Infrared Technology , 2022, 44(2): 157-162.

热电堆型激光功率计设计与仿真

基金项目: 

中央引导地方科技发展资金 YDZX20201400001664

山西省自然科学基金项目 201801D221203

高等学校科技创新项目 1810600108MZ

详细信息
    作者简介:

    雷程(1987-),男,博士,高级实验师,硕士生导师,主要从事微纳红外传感、微纳压力传感及微纳器件制造与系统集成方面的研究。E-mail:leicheng@nuc.edu.com

  • 中图分类号: TM933.3

Design and Simulation of Thermopile Laser Power Meter

  • 摘要: 针对紫外、可见、红外等激光器输出功率测试需求,提出一种由传热体、吸收层、绝缘层和热电偶构成的热电堆型激光功率计。结合热效应和塞贝克效应理论,采用Solidworks三维设计软件构建不同关键结构尺寸的模型,通过ANSYS Workbench仿真软件建立了热电耦合仿真分析模型,分析关键结构尺寸参数对输出电压以及温度分布的影响关系。采用机械加工、镀膜和喷砂工艺设计热电堆型激光功率计,设计封装结构和电路补偿对输出电压进行放大和校准,结果表明,传热体厚度、热偶条对数和长度都是影响激光功率计输出电压的关键性因素。
  • 图  1  激光入射激光功率计图

    Figure  1.  Laser incident laser power meter diagram

    图  2  激光入射传热体截面导热图

    Figure  2.  The cross-sectional thermal conductivity diagram of the laser incident heat transfer body

    图  3  塞贝克效应

    Figure  3.  Seebeck effect

    图  4  用于计算热传导的结构示意图

    Figure  4.  Schematic diagram of the structure used to calculate heat conduction

    图  5  激光功率计的结构示意图:(a)正面立体图;(b)背面图

    Figure  5.  Structure diagram of laser power meter: (a) Frontal stereogram; (b) Reverse view

    图  6  激光功率计电压分布云图

    Figure  6.  Cloud image of voltage distribution of laser power meter

    图  7  激光功率计稳态热梯度云图

    Figure  7.  Steady state thermal gradient cloud image of laser power meter

    图  8  传热体不同厚度下的输出电压

    Figure  8.  The output voltage of heat transfer body with different thickness

    图  9  传热体不同厚度下的最高点温度

    Figure  9.  The maximum temperature of the heat transfer body under different thicknesses

    图  10  不同热偶条长度下的输出电压

    Figure  10.  Output voltage at different thermocouple lengths

    图  11  不同热偶条长度下的最高点温度

    Figure  11.  Maximum point temperature at different thermocouple Lengths

    图  12  不同热偶条对数下的输出电压

    Figure  12.  Output voltage for logarithms of different thermocouple bars

    图  13  热电堆激光功率计的探头制备工艺设计

    Figure  13.  Design of probe preparation for thermopile laser power meter

    图  14  磁控溅射原理

    Figure  14.  The principle of magnetron sputterin

    图  15  激光功率计封装结构

    Figure  15.  Laser power meter packaging structure

    表  1  主要的热电耦材料属性设置

    Table  1.   Main thermoelectric material property Settings

    Thermoelectric materials Thermal conductivity/(W/m·℃) The Seebeck coefficient/(V/℃) Resistivity/(Ω·m)
    Copper
    Constantan
    397
    21
    6.5$ \times $10−5
    −3.5$ \times $10−5
    1.72$ \times $10−8
    4.8$ \times $10−7
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-06-25
  • 修回日期:  2021-10-16
  • 刊出日期:  2022-02-20

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