Ergänzung 1.8: Rtrahlungsdetektoren      (1/5)

Thermische Detektoren

Bolometer

Das Bolometer ist ein Widerstandsthermometer. Die durch Wärme entstehende Änderung der Temperatur ergibt eine Änderung des elektrischen Widerstands. Der Sensor besteht in der ursprünglichen Version aus einem metallischen Draht oder Band aus Platin wegen dessen gut reproduzierbarer Widerstandsänderungen. Wie bei jedem Detektor muss die Empfindlichkeit, d.h. der Zusammenhang zwischen absorbierter optischer Leistung und erzeugtem elektrischem Signal, bekannt sein oder durch eine Kalibrierung bestimmt werden. Bolometer haben eine spektral sehr breite und flache Empfindlichkeit und sind für das Sichtbare und Infrarot bis in den Mikrowellenbereich geeignet. Sie können für die Messung konstanter und veränderlicher, z.B. gepulster Strahlung genutzt werden.

Neuere Entwicklungen nutzen Halbleiter, deren Änderung des elektrischen Widerstands sehr viel größer als bei Metallen ist. Seit den 1980er Jahren sind etwa 12 μm kleine Mikrobolometer verfügbar, die als Elemente von Arrays in Wärmebildkameras Anwendung finden. Hier ist die Empfindlichkeit vom verwendeten Halbleiter abhängig und wird oft mit optischen Filtern gezielt auf gewünschte Spektralbereiche beschränkt.

Ein Bildsensor der Firma Honeywell, USA, bestehend aus einem Array von Mikrobolometern, für Anwendungen in einer Wärmebildkamera.

Pyroelektrische Detektoren

Der Sensor eines pyroelektrischen Detektors besteht aus einem wenige Mikrometer dünnen pyroelektrischen Kristall, der bei einer Temperatur­änderung eine elektrische Spannung auf zwei gegen­über­liegenden Ober­flächen erzeugt. Die Spannung wird mit Elektroden abgegriffen. Da nur Temperaturänderungen solche Spannungen erzeugen, eignet er sich für die Messung gepulster Strahlung mit Pulswiederholraten bis einige kHz, aber nicht für konstante Strahlung. Diese Detektoren werden auch für Bewegungsmelder genutzt, bei denen es um die Erkennung sich bewegender Personen, d.h. veränderlicher Temperaturen geht.

Ein pyroelektrischer Detektor Modell 420 der Firma ELTEC Instruments, USA.

Der oben gezeigte Detektor besitzt einen 2,7×2,7 mm² großen Sensor aus Litiumtantalat, der in ein Transistorgehäuse mit 9,2 mm Durchmesser integriert ist. Die spektrale Empfindlichkeit reicht von 100 nm bis 1000 μm. Er dient der Leistungskontrolle von Pulslasern, von deren Strahlung ein sehr kleiner Teil mit einem Strahlteiler auf den Detektor gerichtet wird.

Thermoelektrische Detektoren

Für höhere Laserleistungen gibt es Detektoren, die den auch als Seebeck-Effekt bekannten thermoelektrischen Effekt nutzen. Hierbei werden zwei Drähte oder Platten aus unterschiedlichen Metallen wie z.B. Kupfer und Eisen kontaktiert. Bei unterschiedlichen Temperaturen der Kontaktstelle und den nicht kontaktierten Seiten entsteht eine Thermospannung. Mehrere solche Anordnungen können zu einer Thermosäule kaskadiert werden, um den Effekt zu verstärken. Die Eignung für hohe Laserleistungen ergibt sich aus der besseren thermischen Belastbarkeit der vergleichsweise größeren Metallkomponenten, aus denen der Sensor besteht. Diese Detektoren eignen sich für die Messung konstanter und gepulster Strahlung.

Der umgekehrte Effekt wird als Peltier-Effekt bezeichnet: bei Peltier-Elementen wird mit einem Strom eine Temperaturdifferenz erzeugt, um eine Kühlung oder Heizung zu erreichen.

Ein thermoelektrischer Detektor Modell LMP5 der Firma Coherent, USA. Links im Bild ist die aufschraubbare Schutzhaube gezeigt.

Die aktive Fläche des hier gezeigten Detektors, erkennbar durch einen Ring, hat 25 mm Durchmesser. Er eignet sich für Pulsenergien bis zu einigen Joule. Seine geschwärzte Fläche hat durch hohe auftreffende Laserleistung bereits etwas gelitten.