CN211717619U - 一种激光探测器及相应的激光功率计 - Google Patents

一种激光探测器及相应的激光功率计 Download PDF

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李德龙
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Shandong Xinyuan Photoelectric Technology Co.,Ltd.
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Abstract

本实用新型公开了一种激光探测器及相应的激光功率计。该激光探测器包括壳体,在壳体内设置有热电堆探头、校准电路和电压放大电路,热电堆探头包括光吸收体及设置在光吸收体表面的热电堆。该激光探测器即便光吸收体表面产生破损,也不影响激光吸收比率,克服了金属基体一旦暴露给照射激光而产生强烈的光学反射的问题。并且,在光吸收体表面直接设置热电堆,接触更加可靠,导热更加迅速,反应更加灵敏。此外,该激光探测器制备工艺简单,成本低廉,性能可靠,寿命持久。

Description

一种激光探测器及相应的激光功率计
技术领域
本实用新型涉及一种激光探测器,同时也涉及相应的激光功率计,属于激光计量技术领域。
背景技术
目前,激光器在通信、医疗、工业制造等领域的应用越来越广泛。在激光器的研制、生产及应用过程中,对激光器的功率进行测量和标定是必不可少的步骤。
现有技术中,通常采用激光功率计测试连续激光的功率或者脉冲激光在某一段时间的平均功率。激光功率计一般由激光探测器和显示设备组成。按照测量原理不同,激光探测器主要包括两类:光电型激光探测器和热电型激光探测器。其中,光电型激光探测器是利用半导体的光电效应实现功率测量,当激光照射在光电型激光探测器的光敏面上时,其中的PN结所在回路内会形成光电流,入射激光的功率越大,光电流越大,通过对光电流进行测量就能得知入射激光的功率。
如图1所示,现有的热电型激光探测器一般采用铝合金基板作为导热板100,在该导热板100的一面设置深色光学吸收涂层101,以实现对激光的高比率吸收;导热板100的另外一面先设置一层绝缘层 102,然后再在绝缘层102表面制备热电堆103(即多个热电偶串联并贴附于绝缘层102表面),以探测热量传导时产生的温度差,进而实现对入射激光功率或者光脉冲能量的测量。热电型激光探测器的激光吸收面在高平均功率、高峰值功率或高能量光脉冲的冲击下,光学吸收涂层101会经常灼伤、挥发、脱落、破损,进而导致激光吸收率下降,引起测量失准。另一方面,热电型激光探测器的绝缘层102和热电堆 103之间也存在热胀冷缩和接触不良的问题,造成容易出现故障。因此,这种现有的热电型激光探测器寿命短、故障率高,需要频繁更换和校准。
发明内容
本实用新型所要解决的首要技术问题在于提供一种激光探测器。
本实用新型所要解决的另一技术问题在于提供一种包括上述激光探测器的激光功率计。
为了实现上述目的,本实用新型采用下述的技术方案:
根据本实用新型实施例的第一方面,提供一种激光探测器,包括壳体,所述壳体内设置有热电堆探头、校准电路和电压放大电路,所述热电堆探头包括光吸收体及设置在所述光吸收体表面的热电堆;
所述热电堆与所述校准电路的输入端连接时,所述校准电路的输出端与所述电压放大电路的输入端连接,所述电压放大电路的输出端通过输出接口向外输出与待测激光实际功率呈预定比例的电压。
其中较优地,采用由深色导热陶瓷制成的导热基板作为所述光吸收体,所述热电堆设置在所述光吸收体上背对吸收激光的一面。
其中较优地,采用由黑色或深色碳化硅陶瓷制成的导热基板作为光吸收体。
其中较优地,所述热电堆为采用多个热电偶串联而成的环状热电堆;
所述热电堆通过电极与所述校准电路或所述电压放大电路的输入端连接。
其中较优地,所述热电堆的正极和负极的位置分别设置绝缘柱,用于防止所述热电堆的正极和负极接通,所述电极的正极和负极分别插入到相应的所述绝缘柱中,并在所述绝缘柱外围通过导线将所述热电堆的正极和负极与所述电极的正极和负极对应连接。
其中较优地,所述电压放大电路包括运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻;所述运算放大器的正相输入端通过所述第一电阻与所述电极的正极连接,所述运算放大器的反相输入端分别与所述第二电阻和所述第三电阻的一端及所述电极的负极连接,所述第二电阻的另一端接地,所述第三电阻的另一端分别与所述运算放大器的输出端及所述第四电阻的一端连接,所述第四电阻的另一端与所述校准电路的输入端连接,所述校准电路的输出端与所述输出接口连接。
其中较优地,所述电压放大电路包括运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻;所述运算放大器的正相输入端通过所述第一电阻与所述校准电路的输出端连接,所述校准电路的输入端分别与所述电极的正极和负极连接,所述运算放大器的反相输入端分别与所述第二电阻和所述第三电阻的一端连接,所述第二电阻的另一端接地,所述第三电阻的另一端分别与所述运算放大器的输出端及所述第四电阻的一端连接,所述第四电阻的另一端与所述输出接口连接。
其中较优地,所述壳体上分别设置有第一端盖和第二端盖;所述第一端盖位于所述热电堆探头的外侧,并用于固定所述热电堆探头。
其中较优地,所述第一端盖上对应于所述热电堆探头的热电堆的位置设置有透光孔,用于限定激光照射区域。
其中较优地,所述校准电路和所述电压放大电路集成在印刷电路板上,所述第二端盖位于所述印刷电路板的外侧,所述输出接口设置在所述第二端盖上。
根据本实用新型实施例的第二方面,提供一种激光探测器,包括壳体,所述壳体内设置有热电堆探头、校准电路和电压放大电路,所述热电堆探头包括光吸收体及设置在所述光吸收体表面的热电堆;
所述热电堆与所述电压放大电路的输入端连接时,所述电压放大电路的输出端与所述校准电路的输入端连接,所述校准电路的输出端通过所述输出接口向外输出与所述待测激光实际功率呈预定比例的电压。
其中较优地,采用由深色导热陶瓷制成的导热基板作为所述光吸收体,所述热电堆设置在所述光吸收体上背对吸收激光的一面。
其中较优地,采用由黑色或深色碳化硅陶瓷制成的导热基板作为光吸收体。
其中较优地,所述热电堆为采用多个热电偶串联而成的环状热电堆;
所述热电堆通过电极与所述校准电路或所述电压放大电路的输入端连接。
其中较优地,所述热电堆的正极和负极的位置分别设置绝缘柱,用于防止所述热电堆的正极和负极接通,所述电极的正极和负极分别插入到相应的所述绝缘柱中,并在所述绝缘柱外围通过导线将所述热电堆的正极和负极与所述电极的正极和负极对应连接。
其中较优地,所述电压放大电路包括运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻;所述运算放大器的正相输入端通过所述第一电阻与所述电极的正极连接,所述运算放大器的反相输入端分别与所述第二电阻和所述第三电阻的一端及所述电极的负极连接,所述第二电阻的另一端接地,所述第三电阻的另一端分别与所述运算放大器的输出端及所述第四电阻的一端连接,所述第四电阻的另一端与所述校准电路的输入端连接,所述校准电路的输出端与所述输出接口连接。
其中较优地,所述电压放大电路包括运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻;所述运算放大器的正相输入端通过所述第一电阻与所述校准电路的输出端连接,所述校准电路的输入端分别与所述电极的正极和负极连接,所述运算放大器的反相输入端分别与所述第二电阻和所述第三电阻的一端连接,所述第二电阻的另一端接地,所述第三电阻的另一端分别与所述运算放大器的输出端及所述第四电阻的一端连接,所述第四电阻的另一端与所述输出接口连接。
其中较优地,所述壳体上分别设置有第一端盖和第二端盖;所述第一端盖位于所述热电堆探头的外侧,并用于固定所述热电堆探头。
其中较优地,所述第一端盖上对应于所述热电堆探头的热电堆的位置设置有透光孔,用于限定激光照射区域。
其中较优地,所述校准电路和所述电压放大电路集成在印刷电路板上,所述第二端盖位于所述印刷电路板的外侧,所述输出接口设置在所述第二端盖上。
根据本实用新型实施例的第三方面,提供一种激光功率计,包括电压读数表及上述的激光探测器,所述电压读数表与所述激光探测器的输出端连接。
本实用新型所提供的激光探测器适用于激光或者其他光源的功率探测或光脉冲的能量探测。它采用由深色导热陶瓷制成的导热基板作为光吸收体,使得即便光吸收体表面产生破损,也不影响激光吸收比率,克服了金属基体一旦暴露给照射激光而产生强烈的光学反射的问题。并且,在光吸收体表面直接设置热电堆,接触更加可靠,导热更加迅速,反应更加灵敏。因此,本激光探测器不仅保证光吸收体具有良好的吸光效果,还解决了现有激光探测器因激光长时间照射而使得其表面涂覆的吸光材料发生脱落的问题。此外,本激光探测器的制备工艺简单、成本低廉、性能可靠、寿命持久,具有巨大的经济价值。
附图说明
图1为现有的热电型激光探测器的原理图;
图2为本实用新型实施例所提供的激光探测器的原理图;
图3为本实用新型实施例所提供的激光探测器的剖视图;
图4为本实用新型实施例所提供的激光探测器的分解示意图;
图5为本实用新型实施例所提供的激光探测器中,热电堆探头、电极和绝缘柱之间的拆分示意图;
图6为本实用新型实施例所提供的激光探测器中,电压放大电路的电路原理图一;
图7为本实用新型实施例所提供的激光探测器中,电压放大电路的电路原理图二;
图8为本实用新型实施例所提供的激光功率计的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型的技术内容做进一步的详细说明。
如图1至图3所示,本实用新型实施例所提供的激光探测器,包括壳体1,在壳体1内设置有热电堆探头2、校准电路和电压放大电路 3。其中,校准电路和电压放大电路可以集成在一个印刷电路板上。热电堆探头2包括光吸收体21及设置在光吸收体21表面的热电堆22,热电堆22与校准电路的输入端连接时,校准电路的输出端与电压放大电路的输入端连接,电压放大电路的输出端通过输出接口向外输出与待测激光实际功率呈预定比例的电压。
在本实用新型的另一个实施例中,热电堆22与电压放大电路的输入端连接时,电压放大电路的输出端与校准电路的输入端连接,校准电路的输出端通过输出接口向外输出与待测激光实际功率呈预定比例的电压。
如图2所示,采用由深色导热陶瓷制成的导热基板作为光吸收体 21,使得即便光吸收体21表面产生破损,也不影响激光吸收比率,克服了金属基体一旦暴露给照射激光而产生强烈的光学反射的问题。并且,利用深色导热陶瓷本身绝缘这一特性,将热电堆22直接设置在光吸收体21上,接触更加可靠,导热更加迅速,反应更加灵敏。
其中较佳地,可以采用由深色或黑色碳化硅陶瓷制成的导热基板作为光吸收体21,利用碳化硅陶瓷具有的高熔点、低介电常数、高击穿场,高导热系数和高饱和电子漂移速度的特性,并且碳化硅陶瓷为黑色,使得由碳化硅陶瓷制成的光吸收体21为黑色,不仅保证光吸收体21具有良好的吸光效果,还解决了现有激光探测器因激光长时间照射而使得其表面涂覆的吸光材料发生脱落的问题,并使得本激光探测器制备工艺简单,成本低廉,性能可靠,寿命持久,具有巨大的经济价值。需要强调的是,采用碳化硅陶瓷制成光吸收体21时,应采用含有一定杂质的碳化硅陶瓷,以保证远高于热电堆22的电阻 (R陶瓷>>R热电堆),以使碳化硅陶瓷导电性对热电堆的干扰降到最小(即碳化硅陶瓷具有较差的导电性)。
具体地说,如图3和图4所示,热电堆22设置在光吸收体21上背对吸收激光的一面。其中,热电堆22为采用多个热电偶串联而成的环状热电堆,以增加其输出电压。
当激光照射到光吸收体21上时,通过光吸收体21将照射到其表面的激光的能量转化为热量传递给热电堆22的热端,使得热电堆22 自身的冷、热两端具有温度差,并将温度差转化为电势差输出给校准电路进行校准后,再经电压放大电路放大至与待测激光实际功率呈预定比例的电压。或者,将热电堆22输出的电势差输出给电压放大电路放大至与待测激光实际功率呈预定比例的电压后,再经校准电路进行校准。
热电堆22通过电极(图5示出的电极4)与校准电路或电压放大电路的输入端连接。具体地说,热电堆22的正极与电极4的正极连接,热电堆22的负极与电极4的负极连接,电极4的正极和负极分别与校准电路的正极和负极连接。或者,电极4的正极和负极分别与电压放大电路的两个输入端对应连接。为了避免热电堆22的正负极接通,如图5所示,可以在环状热电堆22的正极和负极的位置分别设置绝缘柱 5,将电极4的正极和负极相应的插入绝缘柱5中。在绝缘柱5的外围通过导线实现将热电堆22的正极与电极4的正极连接,热电堆22的负极与电极4的负极连接。
校准电路包括存储器和乘法器,存储器的输出端与乘法器的输入端连接;校准电路也可以包括存储器和单片机,存储器的输出端与单片机的输入端连接;校准电路还可以采用集成有存储器的单片机实现。具体地说,当热电堆22通过电极与乘法器或单片机的输入端连接时,乘法器或单片机的输出端与电压放大电路的输入端连接;当热电堆22 通过电极与电压放大电路的输入端连接时,电压放大电路的输出端与乘法器或单片机的输入端连接。
在存储器中预先存储针对不同波段的标准激光光源的多组激光校准参数,每一组激光校准参数包括多个功率点对应的偏离标准电压的校准系数。例如,某一组激光校准参数包括1W~100W范围内,功率间隔为1W的整数功率点对应的100个偏离标准电压的校准系数。当某一波段的激光照射到热电堆探头2上后,热电堆探头2会输出相应的电压到乘法器或单片机,通过乘法器或单片机根据存储器中相应波段的激光校准参数,对热电堆探头2输出的电压进行校准。例如,乘法器或单片机为2.1V时,根据存储器中相应波段的激光校准参数,可以找出对应于热电堆探头2输出电压的功率点对应的偏离标准电压的校准系数,即功率为10W的激光对应的标准电压为2V时,偏离该标准电压的校准系数为1.05,根据该校准系数乘法器或单片机将热电堆探头2 输出的2.1V电压校准到2V的标准电压。
此外,还可以将热电堆探头输出的电压经电压放大电路放大到与待测激光实际功率呈预定比例的电压后,通过乘法器或单片机根据存储器中相应波段的激光校准参数进行校准。需要强调的是,如果无法从存储器中存储的相应波段的激光校准参数中找到所需校准的电压的校准系数,则可以将与该待校准电压接近的两个功率点对应的偏离标准电压的校准系数求平均后,再根据该平均校准系数对所需校准的电压进行校准。
如图6所示,电压放大电路包括运算放大器、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4;运算放大器用于将热电堆22输出的电势差进行放大。电压放大电路各部分连接关系如下:运算放大器的正相输入端通过第一电阻R1与电极的正极连接,运算放大器的反相输入端分别与第二电阻R2和第三电阻R3的一端及电极的负极连接,第二电阻R2的另一端接地,第三电阻R3的另一端分别与运算放大器的输出端及第四电阻R4的一端连接,第四电阻R4的另一端与校准电路的输入端连接,校准电路的输出端与输出接口连接。
如图7所示,在本实用新型的另一个实施例中,运算放大器的正相输入端通过第一电阻R1与校准电路的输出端连接,校准电路的输入端分别与电极的正极和负极连接,运算放大器的反相输入端分别与第二电阻R2和第三电阻R3的一端连接,第二电阻R2的另一端接地,第三电阻R3的另一端分别与运算放大器的输出端及第四电阻R4的一端连接,第四电阻R4的另一端与输出接口连接。
如图3和图4所示,在壳体1上分别设置有第一端盖6和第二端盖7。其中,第一端盖6位于热电堆探头2的外侧,并用于固定热电堆探头2。该第一端盖6通过螺栓固定在壳体1上。在第一端盖6上对应于热电堆22的位置设置有透光孔61,用于限定激光照射区域。第二端盖7位于印刷电路板的外侧,并通过螺栓固定在壳体1上;其中,与电压放大电路或校准电路输出端连接的输出接口设置在第二端盖7上。
此外,如图8所示,本实用新型还提供了一种激光功率计,包括激光探测器和电压读数表8。激光探测器的输出端与电压读数表8连接。电压读数表8用于测量激光探测器输出的与待测激光实际功率呈预定比例的电压数值。电压读数表8可以采用数字万用表,通过数字万用表可以直接显示出探测器输出的与待测激光实际功率呈预定比例的电压数值,根据与待测激光实际功率呈预定比例的电压数值可以反推出待测激光的实际功率。
本实用新型实施例所提供的激光探测器适用于激光或者其他光源的功率探测或光脉冲的能量探测。该激光探测器采用由深色导热陶瓷制成的导热基板作为光吸收体,使得即便光吸收体表面产生破损,也不影响激光吸收比率,克服了金属基体一旦暴露给照射激光而产生强烈的光学反射的问题。并且,在光吸收体表面直接设置热电堆,接触更加可靠,导热更加迅速,反应更加灵敏。因此,本激光探测器不仅保证光吸收体具有良好的吸光效果,还解决了现有激光探测器因激光长时间照射而使得其表面涂覆的吸光材料发生脱落的问题。此外,本激光探测器制备工艺简单,成本低廉,性能可靠,寿命持久,具有巨大的经济价值。
以上对本实用新型所提供的激光探测器及相应的激光功率计进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言,在不背离本实用新型实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动,都将属于本实用新型专利权的保护范围。

Claims (21)

1.一种激光探测器,其特征在于包括壳体,所述壳体内设置有热电堆探头、校准电路和电压放大电路,所述热电堆探头包括光吸收体及设置在所述光吸收体表面的热电堆;
所述热电堆与所述校准电路的输入端连接时,所述校准电路的输出端与所述电压放大电路的输入端连接,所述电压放大电路的输出端通过输出接口向外输出与待测激光实际功率呈预定比例的电压。
2.如权利要求1所述的激光探测器,其特征在于:
采用由深色导热陶瓷制成的导热基板作为所述光吸收体,所述热电堆设置在所述光吸收体上背对吸收激光的一面。
3.如权利要求2所述的激光探测器,其特征在于:
采用由黑色或深色碳化硅陶瓷制成的导热基板作为光吸收体。
4.如权利要求2所述的激光探测器,其特征在于:
所述热电堆为采用多个热电偶串联而成的环状热电堆;
所述热电堆通过电极与所述校准电路或所述电压放大电路的输入端连接。
5.如权利要求4所述的激光探测器,其特征在于:
所述热电堆的正极和负极的位置分别设置绝缘柱,用于防止所述热电堆的正极和负极接通,所述电极的正极和负极分别插入到相应的所述绝缘柱中,并在所述绝缘柱外围通过导线将所述热电堆的正极和负极与所述电极的正极和负极对应连接。
6.如权利要求5所述的激光探测器,其特征在于:
所述电压放大电路包括运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻;所述运算放大器的正相输入端通过所述第一电阻与所述电极的正极连接,所述运算放大器的反相输入端分别与所述第二电阻和所述第三电阻的一端及所述电极的负极连接,所述第二电阻的另一端接地,所述第三电阻的另一端分别与所述运算放大器的输出端及所述第四电阻的一端连接,所述第四电阻的另一端与所述校准电路的输入端连接,所述校准电路的输出端与所述输出接口连接。
7.如权利要求5所述的激光探测器,其特征在于:
所述电压放大电路包括运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻;所述运算放大器的正相输入端通过所述第一电阻与所述校准电路的输出端连接,所述校准电路的输入端分别与所述电极的正极和负极连接,所述运算放大器的反相输入端分别与所述第二电阻和所述第三电阻的一端连接,所述第二电阻的另一端接地,所述第三电阻的另一端分别与所述运算放大器的输出端及所述第四电阻的一端连接,所述第四电阻的另一端与所述输出接口连接。
8.如权利要求1所述的激光探测器,其特征在于:
所述壳体上分别设置有第一端盖和第二端盖;所述第一端盖位于所述热电堆探头的外侧,并用于固定所述热电堆探头。
9.如权利要求8所述的激光探测器,其特征在于:
所述第一端盖上对应于所述热电堆探头的热电堆的位置设置有透光孔,用于限定激光照射区域。
10.如权利要求8所述的激光探测器,其特征在于:
所述校准电路和所述电压放大电路集成在印刷电路板上,所述第二端盖位于所述印刷电路板的外侧,所述输出接口设置在所述第二端盖上。
11.一种激光探测器,其特征在于包括壳体,所述壳体内设置有热电堆探头、校准电路和电压放大电路,所述热电堆探头包括光吸收体及设置在所述光吸收体表面的热电堆;
所述热电堆与所述电压放大电路的输入端连接时,所述电压放大电路的输出端与所述校准电路的输入端连接,所述校准电路的输出端通过输出接口向外输出与待测激光实际功率呈预定比例的电压。
12.如权利要求11所述的激光探测器,其特征在于:
采用由深色导热陶瓷制成的导热基板作为所述光吸收体,所述热电堆设置在所述光吸收体上背对吸收激光的一面。
13.如权利要求12所述的激光探测器,其特征在于:
采用由黑色或深色碳化硅陶瓷制成的导热基板作为光吸收体。
14.如权利要求12所述的激光探测器,其特征在于:
所述热电堆为采用多个热电偶串联而成的环状热电堆;
所述热电堆通过电极与所述校准电路或所述电压放大电路的输入端连接。
15.如权利要求14所述的激光探测器,其特征在于:
所述热电堆的正极和负极的位置分别设置绝缘柱,用于防止所述热电堆的正极和负极接通,所述电极的正极和负极分别插入到相应的所述绝缘柱中,并在所述绝缘柱外围通过导线将所述热电堆的正极和负极与所述电极的正极和负极对应连接。
16.如权利要求15所述的激光探测器,其特征在于:
所述电压放大电路包括运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻;所述运算放大器的正相输入端通过所述第一电阻与所述电极的正极连接,所述运算放大器的反相输入端分别与所述第二电阻和所述第三电阻的一端及所述电极的负极连接,所述第二电阻的另一端接地,所述第三电阻的另一端分别与所述运算放大器的输出端及所述第四电阻的一端连接,所述第四电阻的另一端与所述校准电路的输入端连接,所述校准电路的输出端与所述输出接口连接。
17.如权利要求15所述的激光探测器,其特征在于:
所述电压放大电路包括运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻;所述运算放大器的正相输入端通过所述第一电阻与所述校准电路的输出端连接,所述校准电路的输入端分别与所述电极的正极和负极连接,所述运算放大器的反相输入端分别与所述第二电阻和所述第三电阻的一端连接,所述第二电阻的另一端接地,所述第三电阻的另一端分别与所述运算放大器的输出端及所述第四电阻的一端连接,所述第四电阻的另一端与所述输出接口连接。
18.如权利要求11所述的激光探测器,其特征在于:
所述壳体上分别设置有第一端盖和第二端盖;所述第一端盖位于所述热电堆探头的外侧,并用于固定所述热电堆探头。
19.如权利要求18所述的激光探测器,其特征在于:
所述第一端盖上对应于所述热电堆探头的热电堆的位置设置有透光孔,用于限定激光照射区域。
20.如权利要求18所述的激光探测器,其特征在于:
所述校准电路和所述电压放大电路集成在印刷电路板上,所述第二端盖位于所述印刷电路板的外侧,所述输出接口设置在所述第二端盖上。
21.一种激光功率计,其特征在于包括电压读数表及权利要求1~11中任意一项所述的激光探测器,所述电压读数表与所述激光探测器的输出端连接。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2021170112A1 (zh) * 2020-02-28 2021-09-02 山东芯源光电科技有限公司 基于黑碳化硅陶瓷的热电型光探测器、光功率计和光能量计

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