Messung von Laserstrahlung

 

Gigahertz-Optik GmbH produziert optische Strahlungsmessgeräte für Laser und Laserdioden, die in der Messtechnik, Sensorik, Analyse und Telekomunikation eingesetzt werden. Die angebotene Produktpalette beinhaltet Messgeräte für kontinuierliche, modulierte und gepulste Strahlung.

Auf dieser Seite werden Anwendungsbeispiele aus verschiedenen Einsatzgebieten der Laser-Strahlungsmesstechnik vorgestellt.

Sie erreichen uns unter der +49 (0) 8193 93700-0 oder per Mail unter info@gigahertz-optik.de.

App. 022

Messung der Pulsenergie divergenter Laserstrahlung

Laserdioden die in Entfernungsmessgeräten eingesetzt werden, haben einen divergenten Strahl, ein elliptisches Strahlprofil und typischerweise Spitzenleistungen bis 100 W. Betrieben werden sie mit kurzer Pulsbreite, niedriger Pulsfrequenz bei einer geringen mittleren Leistung. Zur Qualitätssicherung interessieren vorrangig die Spitzenleistung und die Pulsverlaufsform. Die beiden optischen Größen lassen sich nicht mit einem einzigen Detektor messen. Darum müssen Pulsenergie und Pulsverlaufsform jeweils getrennt gemessen und dann verrechnet werden.

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Zur Messung der Pulsverlaufsform werden schnelle, kleinflächige Fotodioden mit einem niederohmigen Abschlusswiderstand eingesetzt. Der zeitliche Spannungsverlauf am Widerstand wird mit einem Digital-Oszilloskop gemessen und aufgezeichnet. Anstiegszeiten von kleiner einer Nanosekunde sind möglich. Wegen der niederohmigen Beschaltung ist die Empfindlichkeit dieses Sensors sehr gering. Zudem detektieren die Fotodioden nur einen Ausschnitt des gesamten Laserstrahlprofils. Wegen Leistungsinhomogenität im Laserstrahlprofil müssen Fotodiode und Laserstrahl sorgfältig zueinander ausgerichtet werden. Für die Messung der relativen Pulsverlaufsform, die zusammen mit der Pulsenergie zur Berechnung der Spitzenleistung benötigt wird, reicht dieses Messverfahren völlig aus.

Zur Messung der Energie von gepulsten Hochleistungslasern bis in den mehrstelligen KW-Bereich werden pyroelektrische Detektoren verwendet. Diese sind für die geringe Spitzenleistung und kurze Pulslänge der Halbleiterlaser weniger geeignet. Deshalb kommen zur Messung der Energie von gepulsten Laserdioden Fotodioden zum Einsatz. Zur Vergrößerung der lichtempfindlichen Messfläche, zur Kompensation der Strahldivergenz und letztendlich zur erforderlichen Signaldämpfung werden die Fotodioden mit einer kompakten Ulbrichtschen Kugel [1] kombiniert. Die Reaktionszeit eines Ulbrichtkugel-Detektors reicht nicht aus um die Pulsverlaufsform von kurzen Laserpulsen direkt zu messen. Mit einer geeigneten Auswerteelektronik kann dagegen die Pulsenergie einzelner Pulse oder Pulsketten sehr präzise gemessen werden.

Die Pulsenergie ist als Integral des Messsignals über der Messzeit definiert und ist damit identisch zur Fläche des Pulses.

Pulse Energy

X: Pulsenergie
x(t): Messsignal als Funktion der Zeit
T: Pulsdauer

Mit einfachen Maßnahmen kann die Zeitkonstante eines Transimpedanz-Verstärkers um ein Vielfaches der zu erwartenden Pulslänge des Messsignals gestreckt werden. Der gestreckte Puls wird flacher, bleibt aber in seiner Fläche konstant.

Conversion of short pulses into stretched pulses

Bild 1: Umformung kurzer Pulse in gestreckte Pulse mit gleichem Energie(flächen)inhalt

A1: Original Signaleingang
A2: Signalausgang Transimpedanz-Verstärker
Fläche A1 = Fläche A2

Mit einem leistungsfähigen Datenlogger kann der Pulsverlauf des gestreckten Pulses mit einer genügend hohen Anzahl an Samples zeitlich aufgelöst aufgezeichnet werden. Aus dem Pulsverlauf wird dann die Pulsenergie berechnet.

Mit ihren Optometern P-9710-2, P-9710-4, P-2000-2 und P-9801 bietet Gigahertz-Optik GmbH Messgeräte zur Messung der Pulsenergie nach der Puls-Stretching Methode. Die Zeitkonstante der Signalverstärker beträgt bei diesen Messgeräten in allen Verstärkungsstufen 20 ms. Unabhängig von ihren Pulslängen werden Pulse auf eine Pulslänge von 20 ms oder ein Vielfaches umgeformt. Die Verlaufsform des getreckten Pulses wird mittels eines Analog-Digital-Wandlers mit einer Ausleserate von 100 µs aufgezeichnet. Die elektronisch bedingte Messunsicherheit ist wegen der hohen Ausleserate kleiner als +/-1%. Das gilt allerdings nur unter der Voraussetzung eines sorgfältigen elektronischen Offsetabgleichs.

Die Messgeräte ermöglichen die Messung von Einzelpulsen und von Pulsfolgen. Die Messzeit kann von 20 ms bis 200 s gewählt werden. Innerhalb dieser Messzeit wird die gesamte detektierte Strahlung erfasst. Sind die Anzahl der Pulse innerhalb des Messfensters bekannt, z.B. aufgrund der elektronischen Ansteuerung, dann kann die Energie eines Einzelpulses berechnet werden. Ist die zeitliche Länge eines Einzelpulses bekannt, dann kann dessen Spitzenleistung unter Annahme einer Rechteck- bzw. Dreieckform des Pulses berechnet werden. Eine präzisere Berechnung der Spitzenleistung ist möglich, wenn der wirkliche Pulsverlauf messtechnisch bestimmt wurde.

Im Kurschlussbetrieb bieten Fotodioden eine ausgezeichnete Linearität über ihren gesamten Dynamikbereich von 0,1 pA bis 1 mA. Um diesen großen Bereich messtechnisch nutzen zu können, sind die Transimpedanz-Verstärker der Optometer mit jeweils acht Verstärkungsstufen ausgeführt.

In Verbindung mit dem Ulbrichtkugel Detektor ISD-5P-Si-SMA-V1 können die Messgeräte die Pulsenergie von Laserdioden mit Spitzenleistungen im Bereich von 1 mW bis 100 W messen. Die Messgröße der Pulsenergie ist J bzw. W*s. Die Messgeräte werden durch das Kalibrierlabor für optische Strahlungsmessgrößen der Gigahertz-Optik GmbH zur Messung der Strahlungsleistung in W kalibriert. Die Pulsenergie ergibt sich aus der gewählten Messzeit.


Referenzen

[1] Theorie und Anwendungen von Ulbrichtkugeln

App. 023

Messung der UV-Laserleistung im UV-Laserscan-Mikroskop

In UV Laserscan Mikroskopen erfolgt die Probenbeleuchtung mittels UV-Laser durch ein Mikroskop-Objektiv. Soll die gesamte Strahlungsleistung des stark konvergenten Strahlenbündels präzise gemessen werden, dann ist ein Detektor mit großem Akzeptanzwinkel erforderlich.

Fotodioden haben eine zweidimensionale Sensorfläche. Bei flachen Einfallswinkeln der Strahlung wird ein Teil der Strahlung von der Oberfläche reflektiert. Die gemessene Strahlungsleistung würde dadurch reduziert. Um diesen Messfehler zu reduzieren, können Detektoren mit einer kompakten Ulbrichtschen Kugel kombiniert werden. Diese bieten einen großen Akzeptanzwinkel und können mit höherer Laserleistung beaufschlagt werden.

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Prinzipdarstellung zur Funktion des Ulbrichtkugeldetektors 

Bild 1: Prinzipdarstellung zur Funktion des Ulbrichtkugeldetektors

Wegen der Baugröße des Detektors muss der Probentisch schwenkbar sein.

Der kompakte Detektor ISD-5P-SiUV besteht aus einer 50 mm Ulbrichtschen Kugel mit UV-empfindlichen Si-Fotodiode. Ulbrichtkugel- Detektoren können für den Spektralbereich von 250 nm bis 1100 nm kalibriert werden und dadurch mit Lasern unterschiedlichster Wellenlängen eingesetzt werden

App. 024

Aus dem Baukasten: Prüfsystem für die Strahlungsleistung und Energie von Laserentfernungsmessern

Die Messung der Laserleistung ist manchmal aufgrund der Bauform und der Spezifikationen des Lasers mit Standardmessgeräten nicht möglich. Stattdessen eignen sich für solche Fälle modular konfigurierbare Messgeräte.

Im nachfolgenden Beispiel war ein Laserleistungsmessgerät gefordert, mit dem die Intensität eines kombinierten Laserentfernungsmessers mit Laserpointer gemessen werden kann. Als Messgrößen für den Laserentfernungsmesser sind die Pulsenergie eines Pulses und einer Pulsfolge und für den Laserpointer die mittlere Leistung spezifiziert. Bei beiden Systemen ist die Strahlung von 830 nm bzw. 1550 nm moduliert. Der maximale Strahldurchmesser beträgt 45 mm. Das System muss rückführbar auf ein nationales metrologisches Institut kalibriert sein, damit der Konformitätsnachweis für die Klasse 1 der Norm NF EN 60825-1 erbracht werden kann.

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Prinzipielle Darstellung des Messgeraetes

Bild: Prinzipielle Darstellung des Messgerätes

Wegen des großen Strahldurchmessers wurde als Detektor eine Ulbrichtsche Kugel mit 300 mm Durchmesser und 50 mm Messöffnung gewählt. Diese wurde mit je einer Si-Fotodiode und einer InGaAs-Fotodiode konfiguriert. Ein Baffel verhindert die direkte Bestrahlung der Fotodiode durch die Lichtquelle und die indirekte Bestrahlung durch die erste Reflexion an der Kugelrückseite. Der große Kugeldurchmesser und die Ausführung der beiden Detektoren mit Streuscheiben bieten eine bestmögliche Kugelfunktion. Zur Signalauswertung kommt ein Zweikanal-Optometer zur Messung der mittleren Laserleistung bzw. der Laserenergie eines Pulses bzw. einer Pulsfolge zum Einsatz. Die Messung der Laserenergie erfolgt nach Puls-Stretching Methode.

Die Ulbrichtsche Kugel wurde mit Komponenten aus dem modularen Ulbrichtkugel Programm der Gigahertz-Optik GmbH konfiguriert. Die beiden Fotodioden und das Zweikanal-Optometer sind gleichfalls Standardbaugruppen der Gigahertz-Optik GmbH. Die Kalibrierung der spektralen Empfindlichkeit von 400 nm bis 1800 nm erfolgt im Kalibrierlabor für optische Strahlungsmessgrößen der Gigahertz-Optik GmbH. Dort erfolgt auch der Konformitätstest mit Pulsfrequenz bzw. Pulsweiten modulierter Laserstrahlung.