ISD-10P-SP

Puls-Laserdioden. LiDAR Laser, VCSEL und Puls-LEDs für den Einsatz in Entfernungsmessgeräten, Umgebungsscannern und zur Bilderfassung emittieren wenige Nanosekunden (ns) kurze Pulse mit sehr hoher Spitzenleistung. Zur Messung des zeitlich aufgelösten Pulsverlaufs sind schnelle Detektoren (kurze Anstiegszeit) erforderlich. Dies sind in der Regel kleinflächige Fotodioden mit Durchmessern von zum Teil deutlich weniger als 1 mm. Technische Details bezüglich Ansiegszeit und Pulsverlaufsmessung mit Photodiode finden sie beispielsweise in unserem Informationsportal. Aus den kleinen Flächengrößen der Fotodioden ergeben sich messtechnische Einschränkungen: 

• Die Ausdehnung des Laserspots ist größer als die aktive Fläche der Fotodiode selbst. Somit ist keine Messung der Strahlungsleistung (W) mit der Fotodiode allein möglich.
• Die Position der Fotodiode im Laserspot ist kritisch wegen eventueller Moden (inhomogener Laserspot).
• Sehr kleine Fotodioden lassen sich nicht oder mit großer Kalibrierunsicherheit absolut kalibrieren.
• Vorsatzoptiken zur Fokussierung des Laserspots auf die Fotodiodenfläche lassen sich nicht kalibrieren.
• Die elektronische Beschaltung der Fotodioden für kurze Pulslängen bedeutet eine weitere Einschränkung der Kalibrierfähigkeit.

Mit den Detektoren der ISD-xx-SP-Serie bietet Gigahertz-Optik in Verbindung mit den Optometern der P-9710 Serie oder der P-21 Serie eine Möglichkeit zur Bestimmung der absoluten Spitzenleistung und Pulsverlaufsform von Puls-Lasern und Puls-LEDs verschiedenster Anwendungen.

Um die genannten Einschränkungen von reinen Fotodioden zu Überwinden wird eine Technologie basierend auf einer kleinen Ulbrichtkugel sowie zwei sich ergänzenden Fotodioden genutzt.

Funktion- und Aufbau

Der Detektor basiert auf zwei Fotodioden, die an eine kompakte Ulbrichtkugel angekoppelt sind. Die erste Fotodiode besitzt eine kurze Anstiegszeit und ermöglicht die Messung des relativen zeitlichen Intensitätsverlaufs in Verbindung mit einem beispielsweise ausreichend schnellen Oszilloskop (Pulslänge, Halbwertsbreite, Spitzenleistung). Die zweite Fotodiode misst die absolute Pulsenergie (in Joule) eines einzelnen Pulses bzw. einer Pulsfolge. Die Auswertung erfolgt durch ein Gigahertz-Optik Optometer der P-9710 oder P-21 Serie nach der Pulse-Stretching Methode. Folglich kann die absolute Spitzenleistung kann aus der Pulsenergie und des zeitlichen Pulsverlaufs berechnet werden. Somit kann die gepulste Lichtquelle mit diesem kombinierten zweifachen Diodensystem komplett charakterisiert werden.

Die Ulbricht'sche Kugel mit 100 mm Durchmesser bietet eine Messöffnung mit 20 mm Durchmesser und kann zur Messung der absoluten Strahlungsleistung (W) kalibriert werden. Wegen des moderaten Kugeldurchmessers der Ulbrichtkugel sind die zeitlichen Pulsverformungen (Puls-Stretching-Effekt von Ulbrichtkugeln durch die Laufzeit bedingt) gegenüber Ulbricht’schen Kugeln mit größeren Durchmessern eher gering. Dadurch werden Pulse nur minimal verlängert und können zeitlich zu einem gewissen Grad aufgelöst vermessen werden. Die Kugel selbst, die Fotodioden und die elektrische Schaltung befinden sich in einem Al-Gehäuse, welches präzessions-CNC gefräst  und gegen Störsignalen geschützt ist. Für weniger Puls-Verformungseffekte und kleinere Leistungen bietet sich die 50 mm Große ISD-5P-SP an. Für kleine Leistungen und quasi keine Puls-Verformungseffekte ist die 16 mm kleine Ulbrichtkugel ISD-1.6-SP-Vxx bestens geeignet. Diese bieten wir mit 5 mm Öffung sowie 7 mm Öffnung für Messungen der Augensicherheit gemäß von Lasern IEC/EN 60825-1 and 2006/25/EC an.

Der Anschluss des optionalen Oszilloskops erfolgt über eine BNC-Buchse. Das Optometer wird über ein 2 m Kabel mit Kalibrierdatenstecker angeschlossen. In diesem sind die Kalibrierdaten gespeichert.

Die Ulbricht’sche Kugel bietet zusätzlich zwei weitere Anschlüsse. An diese kann zum Beispiel ein Spektrometer zur Messung der Wellenlänge und eine Hilfslampe zur Kompensation von eventuellen Einflüssen der Rückreflexion durch die Probe an der Messöffnung (Selbstabsorptionskorrektur) angeschlossen werden. Ideal geeignet könnte auch eines unserer BTS2048 Serie High-End-Spektralradiometer sein.

Wegen ihres kleinen Durchmessers ist der Kugelfaktor der Ulbricht‘schen Kugel relativ gering. Dadurch ist in der Ausführung mit 7 mm Messöffnung die zulässige Strahldivergenz gegenüber der Version mit 5 mm zusätzlich eingeschränkt.

Zwei-Dioden-Technik

Hochgeschwindigkeits-Ulbrichtkugeln, die mit der Zwei-Dioden-Technik von Gigahertz Optik GmbH ausgestattet sind, bieten zwei auf der Kugel montierte Photodioden. Eine rückführbar kalibrierte Photodiode misst präzise die gesamte Pulsenergie. Die zweite Photodiode führt eine zeitliche Charakterisierung des Pulses durch und liefert als Ergebnis dessen relative Pulsform. Durch die mathematische Verknüpfung beider Ergebnisse kann der Puls hinsichtlich aller wichtigen Parameter (Pulsform, Spitzenleistung, mittlere Leistung) vollständig charakterisiert werden.

Auswertung

Gigahertz-Optik bietet verschiedene Optometer mit der erforderlichen „Pulse-Energy“ Messfunktion zur Messung der Pulsenergie kurzer Pulssignale:

P-9710 (Version-2): Ein-Kanal Optometer mit manueller Auslösung der Messung

P-9710 (Version-4): Ein-Kanal Optometer mit TTL Triggereingang zur Auslösung der Messung

P-2000: Zwei-Kanal Optometer

P-9801: Acht-Kanal Optometer

P-21: Touchscreen Ein-Kanal Optometer mit manueller oder Triggerauslösung der Messung

Zur Auswertung des zeitlichen Pulsverlaufs muss der Anwender ein ausreichend schnelles Oszilloskop bereitstellen.   

Kalibrierung

Die Werk-Kalibrierung der spektralen Empfindlichkeit des Detektors für Pulsenergie erfolgt durch das ISO/IEC 17025 Prüflabor/Kalibrierlabor für optische Strahlungsmessgrößen der Gigahertz Optik GmbH. Das Prinzip der Puls-Stretch-Methode ermöglicht die Kalibrierung des Detektors im CW-Betrieb. Die CW-Kalibrierung ist Rückführbar zu Nationalen Metrologie Instituten (NMI's).  

Anwendungen

Die Einsatzbereiche des Detektors finden sich beispielsweise in der Entwicklung sowie der  On- und In-Line Qualitätssicherung von Pulslaserdioden, LiDAR Lasern, VCSEL und Puls-LEDs. Zudem bei Messaufgaben im Rahmen der Anwendung der genannten Pulslaserdioden und Puls-LEDs.