Laserleistungsmessgerät

Verbindet man Drähte aus zwei unterschiedlichen Metallen wie unten abgebildet und bringt die beiden Kontaktstellen auf unterschiedliche Temperatur, so kann man eine sog. Thermospannung messen.

Diese hängt von der Temperaturdifferenz ΔT und der Metallpaarung ab. Geht man von einem Metall als Referenz aus und bestimmt für sämtliche Paarungen bei gegebener Temperaturdifferenz die Thermospannungen, so kann man eine Reihung der Metalle vornehmen, die sog. thermoelektrische Spannungsreihe. Aus dieser ist dann ersichtlich, welche Paarungen eine hohe bzw. niedrige Thermospannung ergeben. Liegen die beiden Metalle in der thermoelektrischen Spannungsreihe zum Beispiel weit auseinander, so ergeben sie eine hohe Thermospannung pro °C Temperaturunterschied und vice versa.

Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Thermoelektrische_Spannungsreihe

Für die Thermospannung U folgt dann für 2 beliebige Metalle aus der Tabelle: U [in μV] = (α1 – α2)·ΔT

Legt man nun umgekehrt eine Spannung an eine Metallpaarung an, so erwärmt sich eine Kontaktstelle und die andere kühlt ab. Diesen zur Thermospannung umgekehrten Effekt nennt man Peltiereffekt. Peltierelemente bestehen aus solchen Metallpaarungen, wobei nicht nur 2 Kontaktstellen vorliegen, sondern viele durch mehrmalige Abwechslung der Metalle in Form einer Serienschaltung. Legt man dann eine Spannung an das Peltierelement, so wird eine Seite kalt und die andere Seite warm.

Man kann aber ein Peltierelement auch quasi umgekehrt als Thermoelement betreiben und damit etwa die Leistung von Laser bestimmen. Strahlt man mit einem Laser auf eine mit Ruß geschwärzte Seite eines Peltierelements, so erwärmt sich diese geringfügig. Infolgedessen ist an den beiden Zuleitungen des Peltierelements eine sehr geringe Thermospannung messbar. Diese Spannung ist direkt proportional zur Laserleistung.

Um das Laserleistungsmessgerät auf Basis eines Peltierelements zu eichen, klebt man eine Widerstandskette mit dem Gesamtwiderstand R auf eine Seite des Peltierelements. Danach legt man an diese Widerstandskette eine Spannung U an und misst die Thermospannung U_thermo. Aus U und R ergibt sich die zugeführte Leistung P = U·I = U² / R.

Sodann trägt man die Thermospannung U_thermo in Abhängigkeit von der zugeführten Leistung P auf. Konkret habe ich folgenden Graphen erhalten:

Der Anstieg dieses Graphen beträgt also konkret 0.107 mV/mW. Das Laserleistungsmessgerät steuert ein 0-200 mV Digitalvoltmeter an. Jetzt möchte man natürlich, dass der angezeigte Wert der Laserleistung entspricht bzw. leicht umzurechnen ist.

Angenommen man möchte, dass die angeigten mV exakt den mW entsprechen. Damit dies gilt, muss die Thermospannung um das 1/0.107-fache, also konkret um das 9.3-fache verstärkt werden. Dies übernimmt der Operationsverstärker ICL7650 durch geschickte Auswahl der für die Verstärkung zuständigen Widerstände. Konkret wählt man für die 9.3-fache Verstärkung das Widerstandspaar 1 kΩ – 9.3 kΩ. Bei dieser Verstärkung zeigt das Display eine Laserleistung von 0 bis max. 200 mW an.

Möchte man ein anderes Anzeigeverhältnis, zum Beispiel 10 mV pro mW, so muss die Verstärkung 10/0.107 = 93 betragen. Dies garantiert die Widerstandspaarung 1 kΩ – 93 kΩ. Damit zeigt die Anzeige eine Laserleistung von 0 bis maximal 20 mW an.

Bei 0.1 mV pro mW Laserleistung muss schließlich die Verstärkung 0.93 betragen. Daher auch die Widerstandspaarung 1 kΩ – 930 Ω. In dieser Einstellung zeigt das Display maximal eine Laserleistung von 2000 mW an.

Das fertige Laserleistungsmessgerät sieht so aus: