Misuratore di potenza laser a Termopila

Abstract: in questo post descriviamo la costruzione di una termopila basata su cella di Peltier per la misurazione della potenza laser.

Introduzione

La cella di Peltier è un dispositivo termoelettrico costituito da molte giunzioni a effetto Peltier in serie; insieme con i dispositivi a effetto Seebeck costituisce una applicazione dei sistemi detti “termoelettrici”. La cella di Peltier è fondamentalmente una pompa di calore a stato solido dall’aspetto di una piastrina sottile; una delle due superfici assorbe il calore mentre l’altra lo emette. La direzione in cui il calore viene trasferito dipende dal verso della corrente continua applicata ai capi della piastrina stessa.

Una comune cella Peltier è formata da due materiali semiconduttori drogati di tipo N e di tipo P, collegati tra loro da una lamella di rame. Se si applica al tipo N una tensione positiva e al tipo P una tensione negativa, la lamella superiore si raffredda mentre quella inferiore si riscalda. Invertendo la tensione lo spostamento di energia termica viene invertito. Lo schema è mostrato nella immagine a lato.

Le celle di Peltier sono reversibili grazie all’effetto Seebeck: riscaldando un lato e raffreddando l’altro, in un circuito elettrico collegato ai capi della cella fluirà una corrente continua proporzionale al dislivello termico presente tra le due facce. La differenza di potenziale ai capi della cella è direttamente proporzionale al numero di elementi presenti all’interno della stessa. Lo schema della cella di Peltier è mostrato in figura 1.

Fig 1 – Schema di una cella di Peltier

Sfruttando la reversibilità della cella di Peltier ci proponiamo di utilizzarla come sensore per la misurazione della potenza laser. Una delle due facce della cella viene rivestita da vernice nera per aumentare l’assorbività. Il fascio laser viene fatto incidere sulla cella in modo da aumentare la temperatura di questa superficie, mentre l’altra superficie viene mantenuta a temperatura costante. Da questa differenza di temperatura nasce un flusso di calore che produce una tensione ai capi della cella. La tensione prodotta sarà direttamente proporzionale alla potenza incidente sulla superficie annerita della cella.

Costruzione

Una delle due superfici della cella di Peltier va mantenuta, durante il processo di misura, a temperatura costante. Questo si realizza fissando la cella di Peltier ad un materiale ad alta conducibilità termica, sufficientemente massivo da fungere anche da materiale ad alta inerzia termica. Noi abbiamo utilizzato un blocco di alluminio 50x50x30 mm, mentre le dimensioni della cella sono 30x30x3 mm. La cella di Peltier viene incollata con cianoacrilato in alcuni punti al blocco di alluminio, mentre sul resto della superficie viene disposto un velo di pasta termica avente lo scopo di migliorare il contatto termico fra la superficie della cella ed il blocco di alluminio. Il blocco di alluminio è stato a sua volta fissato, sempre con il cianoacrilato e la pasta termica, ad un dissipatore di calore di alluminio, in modo da mantenere la temperatura della superficie della Peltier il più possibile costante e pari alla temperatura ambiente (Fig. 2).

Fig 2 – La cella di Peltier montata su blocco di alluminio e su scambiatore di calore

Sulla superficie libera della cella abbiamo fissato, con cianoacrilato, una serie di 16 resistori SMD dal valore nominale di 47 Ω, la resistenza totale misurata vale 720 Ω. I resistori sono stati saldati fra loro e su alcune “piazzole” ricavate da nastro adesivo di rame. Questa serie di resistenze ha la funzione di costituire una sorgente controllata di calore con lo scopo di calibrare la cella di Peltier (Fig. 3 e Fig. 4).

Fig 3 – I resistori SMD per la calibrazione incollati sul lato della cella

Fig 4 – Dettaglio dei 16 resistori da 47Ω incollati e saldati fra di loro

I resistori di calibrazione vengono coperti con uno strato di polistirolo termoisolante in modo che il calore prodotto dai resistori non si disperda nell’aria circostante ma sia diretto verso la cella di Peltier (Fig. 5).

Fig 5 – I resistori SMD vengono schermati con materiale termoisolante

La nostra termopila viene ultimata verniciando tutto di colore nero e depositando con una candela uno strato di nerofumo sulla superficie libera della cella di Peltier. Il coefficiente di assorbimento del nerofumo vale circa il 95%, questo significa che la misura della potenza luminosa incidente sarà inferiore al valore reale di circa il 5%.

Fig 6 – La termopila ultimata

Calibrazione della Termopila

la calibrazione della cella consiste nel dare alla serie di resistenze dei valori di tensione in un range prestabilito, ad esempio 0 – 20 V, in modo da produrre una potenza termica dissipata dai resistori verso la superficie della Peltier e quindi un valore di tensione ai capi della cella. La potenza dissipata dai resistori si calcola con la classica formula P = V²/R = V²/720. Nel grafico di figura 7 mostriamo il grafico che lega la potenza termica alla tensione ai capi della cella di Peltier, la relazione è lineare con ottima approssimazione e la retta di regressione ha equazione:

P [mW] = 6,8584 * V [mV]

Fig 7 – Retta di calibrazione per la relazione tra tensione [mV] e potenza [mW]

Misure

Con la nostra termopila DIY abbiamo provato a misurare la potenza di due laser. L’immagine di figura 8 mostra la misurazione del laser utilizzato per la spettroscopia Raman, si tratta di una laser DPSS con potenza nominale di 100 – 150 mW. Per questo laser otteniamo dalla nostra termopila un valore di 18 mV che corrisponde ad una potenza di 123,4 mW, alla quale aggiungiamo un 5% di potenza persa per riflessione da parte della superficie della Peltier che porta il valore di potenza a 130 mW.

Fig 8 – Misura del laser DPSS da 100 – 150 mW

La seconda misura l’abbiamo effettuata su di un laser OPSL P530 della Osram (lo descriveremo in un prossimo articolo), in questo caso la termopila fornisce il valore di 10,5 mV che equivalgono ad una potenza di 72 mW, tenendo conto della perdita per riflessione di circa il 5%, otteniamo una potenza di 76 mW.

Conclusioni

La nostra termopila DIY si è dimostrata essere uno strumento affidabile per la misurazione della potenza laser, anche nel range di potenze medio basse.

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