Esferas integradoras de alta velocidad y detectores para la medición de la energía y la forma de onda de los pulsos de los láseres/VCSEL
La tecnología LiDAR se utiliza activamente en un número cada vez mayor de aplicaciones diferentes, que van desde la automoción, la cartografía topográfica aérea y la seguridad hasta la agricultura y la industria. La mayoría de estas aplicaciones requieren diodos láser que emitan pulsos cortos (hasta ns) con potencias de pico de varios vatios o incluso kW para permitir soluciones de medición LiDAR de alta espacialidad y largo alcance de detección. Especialmente las nuevas tecnologías, como los sistemas LiDAR de flash, se basan en mediciones de tiempo de vuelo, con la ventaja de que no requieren escáneres de haz porque sólo se utiliza un pulso láser corto con una gran divergencia para cubrir toda la escena. La profundidad de los objetos encontrados puede recuperarse inmediatamente a partir de la medición del eco de la luz, lo que permite cartografiar el entorno en 3D en tiempo real [1].
Para este tipo de tareas, un tipo de tecnología de semiconductores que se utiliza con frecuencia es el láser de emisión superficial de cavidad vertical (VCSEL). Estos suelen presentar un perfil de haz elíptico con alta divergencia que puede adaptarse mediante el uso de ópticas delante del diodo láser. Para llevar a cabo una caracterización temporal completa de los VCSEL -y, por tanto, de este tipo de fuentes LiDAR-, la potencia media por sí sola no es suficiente. También son importantes propiedades como la anchura del pulso, la forma del pulso, la frecuencia del pulso y la potencia máxima.
Anchura de pulso
La anchura del pulso corresponde a la resolución espacial del objetivo (vertical u horizontal, dependiendo de la trayectoria de exploración). Los pulsos más cortos dan lugar a una mayor resolución espacial y, por tanto, son deseables en general. Sin embargo, la parte del detector debe ser capaz de procesar pulsos tan cortos y las típicas señales bajas resultantes.
Forma del pulso
El parámetro más importante aquí es que el pulso tenga forma gaussiana. Si la forma del pulso es diferente, los resultados del LiDAR no serán fiables (véase [2]). Por ejemplo, si el pulso muestra un doble pico debido a un error en la electrónica de control, las mediciones del LiDAR tendrán mayores incertidumbres.
Frecuencia de pulso/velocidad de repetición de pulso
Para aumentar la frecuencia de muestreo de un sistema LiDAR sin reducir la velocidad de exploración, aumentar la frecuencia de repetición de los pulsos es una opción inteligente. Los sistemas han evolucionado desde el rango de kHz en el pasado hasta el rango de MHz en el presente.
Potencia de pico
Una mayor potencia de pico da lugar a señales reflejadas más fuertes y, por tanto, permite una mayor distancia de medición del sistema LiDAR. Otro efecto es que incluso los materiales/objetos poco reflectantes pueden ser detectados. Por ello, el objetivo es conseguir potencias de pico elevadas. Sin embargo, es necesario garantizar la seguridad de los ojos, lo que limita el máximo que puede utilizarse para la mayoría de las aplicaciones.
Medición clásica de la potencia del láser
Para las mediciones clásicas de la potencia media y la energía de los impulsos, consulte nuestro artículo sobre las mediciones de la potencia del láser (véase App. 42).
Medición de láseres de alta velocidad
Gigahertz-Optik ofrece diferentes tipos de soluciones de medición para los láseres de alta velocidad mencionados, cubriendo el rango de longitudes de onda de 200 nm - 1800 nm, que incluye las longitudes de onda más utilizadas, como 532 nm, 905 nm, 940 nm, 1064 nm y 1550 nm. Además, podemos ofrecer soluciones para diferentes tamaños mecánicos, perfiles de haz, dominios de tiempo o incluso soluciones personalizadas que incluyen calibraciones trazables con las menores incertidumbres de calibración.
1550 nm ofrece una "longitud de onda potencialmente segura para los ojos" para los dispositivos LiDAR (véase la norma DIN 60825 y [3]), así como altas potencias rentables. Además, es ventajosa en situaciones de niebla, ya que es menos absorbida por el agua. En consecuencia, esta longitud de onda es cada vez más relevante. Sin embargo, la tecnología de los detectores es más complicada, ya que se necesitan sensores de InGaAs que suelen tener menos píxeles y resolución. Los 532 nm se utilizan normalmente para cartografiar el fondo del mar, ya que su transmisión en el agua es mucho menor que la de las longitudes de onda superiores y para esta aplicación es aceptable un láser visible, lo que no es el caso de los coches autónomos. No obstante, la longitud de onda de 1064 nm es la más utilizada hasta el momento. Las razones son que todavía está en el rango de los sensores de Si con todas sus ventajas.
- Nuestros puntos fuertes para la caracterización láser
- Medición precisa y trazable de la potencia/energía del láser
- Características del pulso / forma de onda del pulso
- Espectro láser mediante espectrorradiómetro externo
- Gama de productos para diferentes geometrías, divergencia, etc. del láser
En las siguientes secciones, mostramos una selección de productos de nuestro catálogo de productos estándar, empezando por un pequeño dispositivo todo en uno con frecuencia de barrido media y que incorpora una esfera integradora hasta sistemas de esfera integradora ultrarrápidos con diferentes diámetros. También ofrecemos soluciones personalizadas. Póngase en contacto con nosotros.
Sistema combinado de esfera integradora y detector externo de alta velocidad (hasta 21 kHz)
PLL-1701
Si los anchos de pulso están en el rango de microsegundos (µs) o milisegundos (ms), es posible una medición radiométrica de potencia directamente trazable según la norma ISO 17025 y la caracterización de la forma de onda con una configuración de fotodiodo único.
Para ello, Gigahertz-Optik ha desarrollado un amplificador de transimpedancia de alta velocidad con un tiempo de subida de hasta 16 µs, denominado PLL-1701. Esto corresponde a un ancho de banda de 21 kHz para la medición.
El PLL-1701 puede utilizarse con detectores externos mediante su conector BNC para ser compatible con toda la gama de Detectores de medición de luz de Gigahertz-Optik. Además, ofrece una entrada directa de fibra FC con una pequeña esfera integradora incorporada. El diodo montado en la esfera cubre el rango de longitudes de onda de 400 nm - 1550 nm y, por lo tanto, también incluye todas las longitudes de onda láser relevantes. Esto significa que las fuentes acopladas a la fibra o los láseres que se pueden acoplar a la esfera directamente en una configuración de espacio libre se pueden medir directamente sin ningún otro accesorio.
Tanto los detectores externos como la esfera integradora interna pueden leerse con un amplificador lineal y otro logarítmico. El amplificador logarítmico de una etapa permite al PLL-1701 medir señales de alta dinámica sin necesidad de cambiar de rango. Las ventajas del amplificador lineal son su magnífica linealidad y el alto rango dinámico que ofrecen los múltiples rangos de ganancia. Con esta flexibilidad, el PLL-1701 proporciona resultados trazables para muchos tipos diferentes de aplicaciones, cubriendo un gran rango de longitudes de onda s y una selección de propiedades de pulso.
Esferas integradoras de alta velocidad con tecnología de dos diodos (hasta 0,1 GHz)
Para pulsos ultracortos y longitudes de pulso en el rango de los ns bajos (por ejemplo, 8 ns), no es posible una medición directa de la forma del pulso (forma de onda) y de la potencia radiométrica del pulso (W) con un solo fotodiodo, ya que no se dispone de fotodiodos adecuados. El límite viene dado básicamente por el tiempo de subida de los amplificadores de transimpedancia (normalmente en un rango bajo de microsegundos) en combinación con el tiempo de respuesta y la capacidad de respuesta del fotodiodo.
Los fotodiodos pequeños (área activa) ofrecen un tiempo de respuesta muy corto, pero necesitan una gran amplificación para generar señales que puedan medirse. Esto suele dar lugar a un gran ruido si el amplificador de transimpedancia es tan rápido como el fotodiodo o se utilizan amplificadores de transimpedancia más lentos para reducir el ruido. Ninguna de las dos cosas es satisfactoria para abordar las necesidades de la aplicación.
Para superar esta limitación, ofrecemos nuestras llamadas esferas integradoras de alta velocidad con tecnología de dos diodos. Esto significa que se montan dos fotodiodos separados en una sola esfera integradora.
Un fotodiodo calibrado según la norma ISO 17025 mide la energía del pulso mediante el método de estiramiento del pulso (véase App. 42).
Esto permite realizar mediciones precisas de la potencia y la energía del láser con poco ruido.
Además, se utiliza un pequeño fotodiodo rápido con tiempos de subida en el rango de ns, que mide la forma relativa de la señal (forma de onda) de la luz entrante ofreciendo una salida BNC de 50 Ohm para utilizar un osciloscopio u otros amplificadores. Combinando este perfil temporal con el resultado absoluto del primer fotodiodo, se puede determinar matemáticamente la forma absoluta del pulso y, por tanto, se puede caracterizar completamente el pulso con un sistema de este tipo.
Gigahertz-Optik ha introducido su familia de productos ISD-xx-SP (SP = Shape and Power) para este fin. Contiene esferas integradoras de diferentes tamaños (los productos estándar van de 16 mm a 100 mm de diámetro) que están equipadas con la tecnología de dos diodos mencionada anteriormente para caracterizar completamente los pulsos cortos, así como los pulsos láser divergentes. Diferentes tamaños de esfera así como puertos de entrada ayudan a cubrir todo tipo de tamaños así como FOVs de diodos láser.
Esfera integradora de sulfato de bario de 16 mm con puerto de entrada de 5 mm o 7 mm. El puerto de entrada de 7 mm es necesario si se realizan evaluaciones de seguridad ocular de acuerdo con). Todo el sistema se basa en una carcasa CNC compacta mecanizada con precisión. Además, se ofrecen dos salidas SMA para, por ejemplo, mediciones espectrales (véase nuestro Fotómetros espectrales, espectrorradiómetros UV-VIS-NIR) . Es posible realizar adaptaciones personalizadas a petición del cliente.
Esfera integradora ODM98 de 50 mm con puerto de entrada de 10 mm para aplicaciones con diámetros de láser medianos. Tercer puerto configurable con diferentes opciones como otro detector o salidas de fibra para mediciones espectrales (ver nuestro Fotómetros espectrales, espectrorradiómetros UV-VIS-NIR).
Esfera integradora ODM98 de 100 mm con puerto de entrada de 20 mm para aplicaciones de grandes diámetros de fuentes de luz. Tercer puerto configurable con diferentes opciones como otro detector o salida de fibra para mediciones espectrales (ver nuestro Fotómetros espectrales, espectrorradiómetros UV-VIS-NIR).
Para apoyarle con un detector adecuado para caracterizar sus fuentes de láser pulsado, póngase en contacto con nosotros. Contamos con más de 25 años de experiencia en la integración del diseño de esferas y las mediciones de luz/láser y podemos ayudarle a encontrar la configuración correcta del detector adecuada para su aplicación o trabajar con usted en su solución personalizada perfecta y asequible.
Calibración
Para cualquier tipo de medición radiométrica de la potencia del láser, la calibración desempeña un papel fundamental en la precisión del resultado final. En otras palabras, es importante una incertidumbre de calibración baja en la que pueda confiar. En este sentido, ofrecemos calibraciones de nuestro laboratorio de calibración y pruebas acreditado por la norma DAkkS ISO 17025. Esto significa que se aplican los más altos estándares según la ISO 17025 a los procesos para garantizar la fiabilidad y la trazabilidad de nuestras calibraciones. Todas las calibraciones son directamente trazables al PTB, al NMI alemán o a NMIs comparables. Nuestro laboratorio de calibración cubre el rango de longitudes de onda de 200 nm - 2500 nm.
Referencias
[1] SPIE Novel Short-Puls Laser Light Source
[2] Effect of pulse-shape uncertainty on the accuracy of deconvolved lidar profiles
[3] Eye-safe laser illuminators for long-reach Lidar and gated imaging in harsh weather conditions