熱電堆型激光功率計(jì)設(shè)計(jì)與仿真

雷 程，武學(xué)占，梁 庭，馬 野，關(guān)一浩，董志超，李 強(qiáng)，齊 蕾

熱電堆型激光功率計(jì)設(shè)計(jì)與仿真

雷 程1，武學(xué)占1，梁 庭1，馬 野1，關(guān)一浩1，董志超1，李 強(qiáng)1，齊 蕾2

（1. 中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2. 北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，山西 太原 030006）

針對(duì)紫外、可見、紅外等激光器輸出功率測(cè)試需求，提出一種由傳熱體、吸收層、絕緣層和熱電偶構(gòu)成的熱電堆型激光功率計(jì)。結(jié)合熱效應(yīng)和塞貝克效應(yīng)理論，采用Solidworks三維設(shè)計(jì)軟件構(gòu)建不同關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸的模型，通過ANSYS Workbench仿真軟件建立了熱電耦合仿真分析模型，分析關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)對(duì)輸出電壓以及溫度分布的影響關(guān)系。采用機(jī)械加工、鍍膜和噴砂工藝設(shè)計(jì)熱電堆型激光功率計(jì)，設(shè)計(jì)封裝結(jié)構(gòu)和電路補(bǔ)償對(duì)輸出電壓進(jìn)行放大和校準(zhǔn)，結(jié)果表明，傳熱體厚度、熱偶條對(duì)數(shù)和長(zhǎng)度都是影響激光功率計(jì)輸出電壓的關(guān)鍵性因素。

激光功率計(jì)；熱效應(yīng)；塞貝克效應(yīng)；熱電堆；熱電偶；有限元仿真分析

0 引言

隨著激光技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，像激光切割、激光通信和激光醫(yī)療等領(lǐng)域都是將激光作為載體，以脈沖信號(hào)探測(cè)的方式進(jìn)行處理、傳輸和接收等功能[1]。因激光具有高能量密度、相干性、方向性、單色性等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使得激光參數(shù)計(jì)量測(cè)試越來(lái)越受到重視[2]。激光功率是激光器的一個(gè)重要參數(shù)，最早測(cè)量激光功率的裝置是基于熱電偶和真空腔的激光功率探測(cè)裝置，而后出現(xiàn)了幾種不同的光功率測(cè)量結(jié)構(gòu)，直到現(xiàn)在不用在絕熱環(huán)境下就可以達(dá)到比較高的測(cè)量精度[3]。雖然熱電堆型激光功率計(jì)響應(yīng)慢，對(duì)環(huán)境溫度敏感，但具有光譜響應(yīng)范圍廣，涵蓋波段包括紫外到紅外的特點(diǎn)[4]，被學(xué)者們廣泛研究。熱電堆型激光功率計(jì)是基于激光的熱效應(yīng)和金屬中的塞貝克效應(yīng)[5]制作的。早期文獻(xiàn)中提出的激光功率計(jì)以鋁為傳熱體，一面進(jìn)行陽(yáng)極氧化形成氧化鋁薄膜，另一面進(jìn)行涂黑、鍍鉻或者將傳熱體的吸收表面進(jìn)行粗化處理[6]以達(dá)到較好的吸收率。還有改進(jìn)傳熱體為漏斗形[7]，實(shí)現(xiàn)激光在漏斗內(nèi)多次反射進(jìn)而提高對(duì)激光功率的吸收。還有將吸收區(qū)表面涂抹氧化石墨烯，研究可見光到近紅外范圍內(nèi)的光響應(yīng)[8]。R. K. Soni[9]等人采用水膜為吸收介質(zhì)實(shí)現(xiàn)了千瓦級(jí)的激光功率測(cè)量。像國(guó)內(nèi)長(zhǎng)春CNI和彩煌熱電都有其自主研發(fā)的產(chǎn)品，國(guó)外以色列Ophir、美國(guó)Coherent都存在成熟的產(chǎn)品。但是現(xiàn)有文獻(xiàn)中僅僅只是闡述了熱電堆激光功率計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、器件制備、測(cè)試分析而已，而針對(duì)激光功率計(jì)結(jié)構(gòu)的仿真報(bào)道較少。

本文以直徑為43.9mm的5A06鋁合金作為傳熱體基座，吸收區(qū)厚度為0.001mm，以銅-康銅熱電偶材料厚度為0.001mm，絕緣層氧化鋁厚度為0.1mm為基礎(chǔ)，通過改變傳熱體厚度、熱偶條對(duì)數(shù)和長(zhǎng)度等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用Solidworks三維建模軟件進(jìn)行模型建立，然后導(dǎo)入Ansys workbench19.1有限元熱電偶耦合分析。闡明了關(guān)鍵變量對(duì)輸出電壓的影響，并設(shè)計(jì)了封裝結(jié)構(gòu)和選擇了補(bǔ)償電路，為今后熱電堆型激光功率計(jì)設(shè)計(jì)與仿真分析提供了研究方向。

1 基本原理

1.1 工作原理

如圖1所示，當(dāng)激光器發(fā)出的激光束垂直入射到熱電堆型激光功率計(jì)吸收層表面時(shí)，因吸收層是對(duì)輻射光譜響應(yīng)范圍敏感程度不同的黑色涂層，吸收層將入射輻射轉(zhuǎn)化成熱量吸收，同時(shí)由于傳熱體結(jié)構(gòu)為圓盤型，該熱量從吸收區(qū)表面以熱輻射形式垂直輻射進(jìn)入傳熱體。如圖2所示，由傳熱體沿徑向?qū)?，同時(shí)垂直向下導(dǎo)熱，激光功率計(jì)中心底部溫度相比于邊緣位置溫度較高，這樣導(dǎo)致出現(xiàn)溫度差。由于塞貝克效應(yīng)，溫差引起底部串聯(lián)的熱電偶形成輸出電壓，輸出電壓與激光器發(fā)出的激光功率呈現(xiàn)一種正比例線性關(guān)系。

如圖3所示，熱電偶是基于塞貝克效應(yīng)制備的，兩種不同金屬導(dǎo)體A和金屬導(dǎo)體B串聯(lián)形成一種閉合的回路，當(dāng)串聯(lián)回路一端的溫度相對(duì)于另一端溫度較高時(shí)，表明溫度高的一端為熱端，溫度低的一端為冷端，冷端的一端將會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)[10]。而激光功率計(jì)底部的熱電堆是由多個(gè)熱電偶串聯(lián)形成熱電偶花樣圖，相比于一個(gè)熱電偶，由多個(gè)熱電偶組成的熱電堆更能提高器件的響應(yīng)性能。

圖1 激光入射激光功率計(jì)圖

圖2 激光入射傳熱體截面導(dǎo)熱圖

圖3 塞貝克效應(yīng)

1.2 理論基礎(chǔ)

激光功率計(jì)主要由傳熱體、吸收層、絕緣層、熱電堆構(gòu)成，如圖4所示，在一個(gè)圓盤型的敏感受光面中心取一個(gè)極坐標(biāo)，假設(shè)激光光束照射在半徑為1的圓形上，這端為熱端，溫度為1，熱電偶的冷端分布在半徑2的圓周上，溫度為2，穩(wěn)態(tài)下的傳導(dǎo)方程如式(1)：

式中：是激光束發(fā)出的入射的激光功率；為吸收系數(shù)；為受光面的熱傳導(dǎo)系數(shù)，在溫度變化范圍不太大的情況下通常看成常數(shù)；是圓盤型片子半徑；是圓盤型片子的厚度，將上式積分，得(2)式：

在受光面的背后，采用磁控濺射技術(shù)濺射上對(duì)串接的熱電偶膜，結(jié)合兩種不同金屬串聯(lián)因兩端溫差產(chǎn)生的塞貝克效應(yīng)，輸出電壓如下式(3)所示：

＝(1－2) (3)

最后，計(jì)算它所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)如下式(4)所示：

式中：a為材料的熱電系數(shù)；m為熱電偶對(duì)數(shù)。

2 設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

熱電堆激光功率計(jì)核心器件是接收頭。接收頭的設(shè)計(jì)包括吸熱區(qū)、傳熱體、散熱體、絕緣層和熱電偶的選擇。理想的激光功率計(jì)傳熱體受熱區(qū)部分應(yīng)是吸收全、光譜響應(yīng)平坦、耐高溫輻射、性能穩(wěn)定。對(duì)于激光的單位入射能量，受熱區(qū)的材料吸收率越高，吸收的能量越多，轉(zhuǎn)化熱能的效果也就越好。傳熱體一般選用導(dǎo)熱優(yōu)良的鋁，散熱體的設(shè)計(jì)一般有利用水冷、風(fēng)冷、以及結(jié)合具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)熱沉降溫。絕緣層一般利用自身生成的致密氧化鋁或者陽(yáng)極氧化鋁充當(dāng)絕緣層，防止漏電。熱電偶的選擇比較多，輸出功率變化范圍線性較好的金屬材質(zhì)如銅-康銅、鎳鉻-鎳鋁、鉑-鉑銠等金屬?，F(xiàn)有設(shè)計(jì)方法包括對(duì)受熱區(qū)涂光學(xué)黑漆、黑化金和制成粗糙面等。

如圖5所示，本設(shè)計(jì)采用受熱區(qū)鍍黑鉻，它是一種Cr2O3顆粒分散在Cr介質(zhì)中的一種金屬陶瓷膜，黑鉻鍍層對(duì)光譜的響應(yīng)范圍涵蓋了從紅外到紫外的大部分光譜，即波長(zhǎng)范圍在0.3～2.0mm的太陽(yáng)光譜，本質(zhì)講，激光與普通光都是電磁波，傳播速度也都為30×108m/s，所設(shè)計(jì)的激光功率計(jì)針對(duì)的波段是紅外到紫外波段大部分都能滿足，如輸出波長(zhǎng)分別為375nm、660nm和1064nm激光器。而通過激光照射激光功率計(jì)吸收區(qū)黑鉻表面，我們只考慮其黑鉻的光吸收率，光吸收率在0.9左右以上，而且黑鉻鍍層具有耐高溫和熱穩(wěn)定性。

圖5 激光功率計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖：(a)正面立體圖；(b)背面圖

考慮到5A06鋁合金相比于鋁材質(zhì)，硬度大，焊接性好，延伸率高，所以選用5A06鋁合金作為傳熱體。在滿足一定精度要求下，結(jié)合實(shí)際出發(fā)，便于各種現(xiàn)場(chǎng)使用，輕便靈活，將散熱體設(shè)計(jì)成與傳熱體一體結(jié)構(gòu)的熱沉。絕緣層采用噴砂制備氧化鋁，而熱電材料選擇價(jià)格便宜的銅-康銅材料形成串聯(lián)型的熱電堆。

2.2 仿真優(yōu)化

進(jìn)行仿真所采用的主要熱電耦材料屬性，如表1所示。

表1 主要的熱電耦材料屬性設(shè)置

以直徑為43.9mm的傳熱體，厚度為1.3mm，選取32對(duì)熱電偶為建?；A(chǔ)，采用Solidworks軟件進(jìn)行三維建模，利用Ansys Workbench19.1進(jìn)行熱電耦合仿真，在輸入輻射功率100mW/cm2、環(huán)境溫度為25℃作為載荷量分別加到黑鉻吸收區(qū)和5A06鋁合金基座的一體的熱沉上。電壓分布云圖如圖6所示，通過仿真得出輸出電壓為0.31415mV，而熱梯度分布云圖如圖7所示，最高溫度分布至鋁合金基座圓心為25.461℃。

圖6 激光功率計(jì)電壓分布云圖

圖7 激光功率計(jì)穩(wěn)態(tài)熱梯度云圖

為了研究不同傳熱體厚度對(duì)輸出電壓的影響，保證其他條件不變的情況下，通過改變傳熱體厚度，厚度范圍為0.6～1.3mm，研究不同厚度下傳熱體的輸出電壓和最高點(diǎn)溫度分布情況。通過圖8和圖9可以看出，隨著5A06鋁合金基座的厚度逐漸增大，輸出電壓和最高點(diǎn)溫度都是呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)。

圖8 傳熱體不同厚度下的輸出電壓

圖9 傳熱體不同厚度下的最高點(diǎn)溫度

為了研究熱電偶長(zhǎng)度對(duì)輸出電壓的影響，保證其他條件不變的情況下，通過改變熱電偶長(zhǎng)度，長(zhǎng)度范圍為8.8～13 mm，研究不同熱偶條長(zhǎng)度的輸出電壓和最高點(diǎn)溫度分布情況，通過圖10可以看出，隨著熱偶條的長(zhǎng)度的增加，輸出電壓呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。如圖11可以看出，可能由于熱電偶長(zhǎng)度增加，導(dǎo)致熱端靠近圓心，同時(shí)又相互接近，這種排布結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其熱阻增大，溫度擴(kuò)散慢，即出現(xiàn)最高點(diǎn)溫度隨著熱偶條的長(zhǎng)度逐漸增大。

為了研究不同熱電偶對(duì)數(shù)對(duì)輸出電壓的影響，保證其他條件不變的情況下，通過改變熱電偶對(duì)數(shù)，熱電偶對(duì)數(shù)范圍為15～32對(duì)，研究不同熱電偶對(duì)數(shù)的輸出電壓和最高點(diǎn)溫度分布情況。通過圖12可以看出，隨著熱電偶對(duì)數(shù)逐漸增加，輸出電壓呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。因熱偶條長(zhǎng)度未發(fā)生改變，即熱端和冷端所處位置不發(fā)生改變，即表明溫度差不發(fā)生變化，熱端位置的最高溫度不發(fā)生變化。

圖10 不同熱偶條長(zhǎng)度下的輸出電壓

圖11 不同熱偶條長(zhǎng)度下的最高點(diǎn)溫度

圖12 不同熱偶條對(duì)數(shù)下的輸出電壓

3 制備流程設(shè)計(jì)

熱電堆探測(cè)芯片采用微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）制作工藝、噴砂工藝以及鍍黑鉻工藝，如圖13所示為熱電堆激光功率計(jì)的探頭制備工藝設(shè)計(jì)。

圖13 熱電堆激光功率計(jì)的探頭制備工藝設(shè)計(jì)

探頭具體設(shè)計(jì)制備步驟如下：①加工基座。選用5A06鋁合金利用車床機(jī)械加工車出基座，對(duì)基座進(jìn)行有機(jī)溶液洗滌、化學(xué)除油氮?dú)獯蹈蓚溆?；②鍍鉻前處理。對(duì)基座進(jìn)行高溫蒸洗，超聲波除蠟、一次離子水沖洗、超聲波除油、二次去離子沖洗，強(qiáng)風(fēng)干燥備用。③真空鍍黑鉻。將基座懸掛至真空鍍膜機(jī)腔體內(nèi)，采用鉻靶材利用物理氣相沉積（PVD）涂層工藝方式形成兩面皆為亞光面黑鉻，通過砂紙打磨除了吸收區(qū)以外的部分。④噴砂絕緣層。對(duì)基座進(jìn)行有機(jī)溶液洗滌、化學(xué)除油，借助壓縮空氣使玻璃珠磨料強(qiáng)力沖刷工件表面去除表面缺陷，利用噴砂工藝形成氧化鋁薄膜，起到絕緣層防止漏電的作用。⑤濺射熱電偶花樣。采用磁控濺射工藝，利用硬掩模版在絕緣層面分別濺射康銅靶材和銅靶材形成熱電偶花樣圖。磁控濺射原理如圖14所示，利用輝光放電原理使氬氣在高壓下電離后形成的正離子轟擊靶材表面，使靶材粒子濺射出來(lái)到達(dá)基片表面形成銅和康銅的熱電堆薄膜。

圖15所示為激光功率計(jì)的封裝結(jié)構(gòu)，黑化的殼體內(nèi)部通過帶孔蓋板采用螺栓打孔固定激光功率計(jì)，激光功率計(jì)底部的熱電偶花樣的正負(fù)極與集成電路板連接，黑化的殼體底部固定有圓形散熱器[11-12]。圓形散熱器的設(shè)置是為了保證位于鋁合金熱沉的冷端能夠保證與室溫25℃一致，形成當(dāng)有激光入射到激光功率計(jì)表面后，保證熱端與冷端形成溫度差，提高串聯(lián)的熱電堆輸出電壓響應(yīng)值。集成電路板上集成放大電路和電位器，放大電路將由熱電堆原理將熱信號(hào)傳化為電壓信號(hào)進(jìn)行放大處理[13-14]，然后通過電位器調(diào)節(jié)輸出電壓值，這里我們選用的市面上常用的C3140運(yùn)算放大器。

圖14 磁控濺射原理

圖15 激光功率計(jì)封裝結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用Solidworks軟件對(duì)激光功率計(jì)進(jìn)行三維建模，采用Ansys Workbench軟件對(duì)激光功率計(jì)進(jìn)行熱電仿真分析，通過仿真優(yōu)化改變關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，提高輸出電壓值，同時(shí)設(shè)計(jì)一種封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定，采用放大電路和校準(zhǔn)電路對(duì)輸出電壓值進(jìn)行校準(zhǔn)輸出。本文對(duì)激光功率計(jì)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值，對(duì)激光功率計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真工作具有指導(dǎo)意義和參考作用，但是也存在今后需要改進(jìn)的部分，例如傳熱體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，對(duì)激光吸收的吸收區(qū)應(yīng)選用全吸收、無(wú)光譜選擇性、耐高溫輻射、性能穩(wěn)定的黑色涂層等。

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Design and Simulation of Thermopile Laser Power Meter

LEI Cheng1，WU Xuezhan1，LIANG Ting1，MA Ye1，GUANG Yihao1，DONG Zhichao1，LI Qiang1，QI Lei2

(1.,,030051,; 2.,030006,)

To address the need to test the output power of ultraviolet, visible, and infrared lasers, this study proposes a thermopile laser power meter composed of a heat transfer body, an absorption layer, an insulating layer, and a thermocouple. Combining thethermal effect and Seebeck effect theory, Solidworks 3D design software is used to build models of different key structure sizes, and a thermoelectric coupling simulation analysis model is established using ANSYS Workbench simulation software to analyze the influence of key structure size parameters on the output voltage and temperature distribution. The thermopile laser power meter is designed using mechanical processing, coating, and sandblasting, and the package structure and circuit compensation are designed to amplify and calibrate the output voltage. The results show that the key factors affecting the output voltage of the laser power meter are the thickness of the heat transfer body, the number of thermal couples, and the length of the thermal couple.

laser power meter, thermal effect, Seebeck effect, thermopile, thermocouple, finite element simulation analysis

TM933.3

A

1001-8891(2022)02-0157-06

2021-06-25；

2021-10-16.

雷程（1987-），男，博士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，碩士生導(dǎo)師，主要從事微納紅外傳感、微納壓力傳感及微納器件制造與系統(tǒng)集成方面的研究。E-mail：leicheng@nuc.edu.com。

中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展資金（YDZX20201400001664）；山西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（201801D221203）；高等學(xué)?？萍紕?chuàng)新項(xiàng)目（1810600108MZ）。