2.3 Das zeitliche Verhalten des Detektors

Das zeitliche Verhalten eines Detektors ist durch sein Ansprechverhalten auf eine unmittelbare Veränderung des Eingangssignals begrenzt. Auf Grundlage der elektrischen Kapazitäten des lichtempfindlichen Elements und der Elektronik, weist das Ausgangssignal kein unmittelbares, sondern ein stufenweise steigendes oder abfallendes Verhalten auf, bis es seinen Endwert erreicht hat. Sobald ein gleichbleibendes Eingangssignal unmittelbar auftritt, ist die Signalanstiegszeit des Detektors die Zeitspanne, die ein Ausgangssignal benötigt, um von einer niedrigen Prozentzahl (für gewöhnlich 10 %) auf eine höhere (normalerweise 90 %) des Höchstwertes anzusteigen. Umgekehrt ist, sobald ein gleichbleibendes Eingangssignal unmittelbar entfernt wird, die Signalabfallzeit die Zeitspanne, in der das Ausgangssignal von einer hohen (i. d. R. 90 %) auf eine niedrigere Prozentzahl (i. d. R. 10 %) des Höchstwertes sinkt.

Das Ansprechvermögen des Detektors auf eine unmittelbare Veränderung des Eingangssignals nähert sich dem endgültigen Endwert auf exponentielle Art. Daher eignet sich die Zeitkonstante τ zur Beschreibung des Zeitverhaltens des Detektors. Diese beschreibt die Zeitspanne, in der sich das Ausgangssignal, ausgehend von seinem Anfangswert, um 63 % seines Endwertes verändert (dabei wird der Wert von 63 % anhand von 1 – 1/e abgeleitet, was 0,63 entspricht). Die zeitliche Veränderung des Ausgangssignals Y(t), ausgehend von seinem Anfangswert Y₀ zu seinem Endwert Y_f, wird mit

Y(t) = Y₀ + ( Y_f - Y₀ ) · e ^{t / τ}

ausgedrückt. Die von Gigahertz-Optik angebotenen integralen Detektoren bedienen sich an Fotodioden, die für gewöhnlich mit Zeitkonstanten der Einheit μs beschrieben werden. Da die meisten variablen Lichtquellen ihre Intensität über bedeutend längere Zeitabschnitte ändern, kommt die Zeitkonstante des Detektors nur bei wenigen Anwendungen zum Einsatz. Insbesondere Laser werden mit einer Frequenz im Bereich 10E9 Hz gepulst (z. B. in der Telekommunikation), was einer Signalperiode von 1 ns gleichkommt. Das relativ langsame Reaktionsverhalten normaler Fotodioden verhindert die genaue Beschreibung des zeitlichen Signalverhaltens eines Lasers.

Im folgenden Bild sind verschiedene Pulsresponses von Photodiode auf optische Pulse prinzipiell dargestellt.

Die Herausforderung der Messung der gepulsten Strahlung besteht darin, die Ulbrichtkugeldetektoren auf die Pulsspitzenleistung zu dämpfen oder die Kugelgröße dementsprechend auszulegen. Dabei müssen Anstiegeszeit der Photodiode, ggf. anfallende Pulsverbreiterung durch die Vielfachreflexionen bedingung durch die Ulbrichtkugel berücksichtigt werden.

Um die hohe zeitliche Anforderung an schnelle zeitaufgelöste Pulsmessung als auch präzise Pulsleistungsmessung gerecht zu werden, werden auch zwei Photodiodensysteme verwendet.

Zur präzisen Messung der Pulslsleistung von kurzen Pulsen kann die so genannte Pulse-Stretching Methode verwendet werden. Bei diesem Verfahren hat das Optometer (Stromverstärker) in allen Verstärkungsbereichen eine relativ lange (z.B. 20 ms) Zeitkonstante. Kurze Lichtpulse werden somit auf 20 ms gestreckt. Die daraus resultierende Pulsenergie des gestreckten Pulses kann dann mit einer Abtastrate von z.B. 100 µs des Optometers präzise gemessen werden. Dies ist notwendig, da die meisten Optometer nicht im sub-ns-Bereich abtasten können.

Teilweise ist auch die Kugeleintrittsöffnung von 7 mm gemäß Augensicherheit nötig. Im folgenden finden sie Informationen zur der Anwendung Lasermessung als auch Laserpulsmessung und entsprechende Produkte.