Ophir Photonicsのパワーおよびエネルギーセンサーは、連続光（CW）およびパルス光を問わず、さまざまな波長、出力、ビームサイズのレーザー測定に対応しています。本稿では、レーザー照射によって発生する熱を利用してレーザーパワーを測定する2種類のセンサー、すなわちカロリーメーターとサーマルセンサーについて解説します。 カロリーメーターレーザーパワーセンサーの動作原理 カロリーメータは、化学反応や物質の物理変化によって生じる熱量を測定する「熱量測定（calorimetry）」の原理に基づいて動作します。calorimetryという用語は、ラテン語の「calor（熱）」とギリシャ語の「metron（測定）」に由来しています。本方式では、レーザー光がセンサーに吸収され、熱エネルギーへと変換されます。その結果生じる温度上昇を測定することで、入射レーザーの光パワーを算出します。 サーマルレーザーパワーセンサーの動作原理 短時間（数十秒以内）の測定において、カロリーメータの基本式は以下で表されます： Q = mCvΔT ・Q：レーザーから測定装置へ伝達された熱量・m：加熱される物体の質量・Cv：比熱容量（単位質量の温度を1℃上昇させるのに必要な熱量）・ΔT：温度変化 Ophirのポータブルセンサ―シリーズ「Comet」は、この原理を採用しており、アクティブ冷却を必要とせずに動作します。 連続的な測定では、発生した熱を外部へ放散する必要があります。高出力領域では、通常、水を用いた閉ループ式チラーによる冷却が用いられます。冷却媒体の流量および温度上昇を高精度に測定することで、以下の式によりレーザーパワーを求めることができます： P = qvCvΔT ・P：レーザーパワー・qv：冷却媒体の流量・Cv：冷却媒体の比熱容量 測定方式および用途の違い 次に、サーマルセンサーの動作について説明します。図1に示すように、レーザービームはセンサ―中心部に照射され、吸収されて熱エネルギーに変換されます。センサ周縁部はヒートシンク（空冷または水冷）と接続されており、中心から外周へ向かって放射状に熱が流れ、温度勾配（中心が高温、周辺が低温）が形成されます。この温度勾配はレーザーパワーにのみ依存するため、パワー測定に利用することが可能です。 この測定は、センサーディスク上に配置されたサーモパイルにより行われます。サーモパイルはゼーベック効果を利用して、温度差に比例した電圧を発生させます。サーモパイルの配置により、ビーム径や位置に依存しない測定が実現されています。 本設計は、空冷または水冷により約5kWまでのパワーに対応可能です。これを超えるパワー領域では、ゴールドコーティングされたリフレクタ―を用いてビームを拡大し、吸収されるパワー密度を低減します。このアプローチにより、最大30kWまでスケーラブルに対応可能です。30kWを超える領域では、実用上の制約によりさらなる拡張が困難となります。図2は、最大30 […]
