用于测量激光器/VCSELs的脉冲能量和脉冲波形的高速积分球和检测器/High Speed Integrating Spheres and Detectors for Pulse Energy and Pulse Waveform Measurement of Lasers/VCSELs

App. 022

LiDAR技术正被积极用于越来越多的不同应用中，从汽车、机载地形测绘、安全到农业和工业。这些应用大多需要发射短脉冲（低至ns）的激光二极管，其峰值功率为几瓦特甚至千瓦，以便实现高空间LiDAR测量方案和长探测距离。特别是像闪光LiDAR系统这样的新技术是以飞行时间测量为基础的，其好处是不需要光束扫描器，因为只需使用一个大发散的短激光脉冲就可以覆盖整个场景。遇到的物体的深度可以立即从回波光的测量中恢复出来，因此可以实现环境的实时三维测绘[1]。

对于这样的任务，经常使用的半导体技术类型是垂直腔表面发射激光器（VCSEL）。这些激光器通常显示出具有高发散性的椭圆光束轮廓，可以通过在激光二极管前面使用光学器件来适应。为了对VCSELs进行全面的时间特性分析--因此也包括这些类型的LiDAR源--仅靠平均功率是不够的。此外，像脉冲宽度、脉冲形状、脉冲频率和峰值功率等属性也很重要。

脉冲宽度

脉冲宽度与目标空间分辨率相对应（垂直或水平，取决于扫描轨迹）。较短的脉冲会产生较高的空间分辨率，因此一般来说是可取的。然而，检测器部分必须能够处理这种短脉冲和通常产生的低信号。

脉冲的形状

这里最重要的参数是脉冲是高斯型的。如果出现任何不同的脉冲形状，LiDAR的结果将是不可靠的（见[2]）。例如，如果脉冲由于控制电子装置的错误而显示出双峰，LiDAR的测量将有更高的不确定性。

脉冲频率/脉冲重复率

为了提高LiDAR系统的采样率而不降低扫描速度，提高脉冲的重复率是一个明智的选择。系统已经从过去的kHz范围发展到现在的MHz范围。

峰值功率

更高的峰值功率会产生更强的反射信号，因此能使LiDAR系统的测量距离更大。另一个影响是，即使是低反射的材料/物体也能被探测到。这导致高峰值功率成为目标。然而，眼睛的安全仍然需要得到保证，这限制了可用于大多数应用的最大值。

经典的激光功率测量

对于平均功率和脉冲能量的经典测量，请参考我们关于激光功率测量的文章（见附录42）。

高速激光器测量

Gigahertz-Optik为上述高速激光器提供不同类型的测量解决方案，波长范围从200 nm - 1800 nm，包括主要使用的波长，如532 nm、905 nm、940 nm、1064 nm和1550 nm。此外，我们能够为不同的机械尺寸、光束轮廓、时域或甚至定制的解决方案提供解决方案，包括具有最低校准不确定度的可追溯校准。

1550纳米为LiDAR设备提供了一个潜在的 "眼睛安全波长"（见DIN 60825和[3]），以及成本效益高的功率。此外，它在有雾的情况下也有优势，因为它被水吸收的少。因此，这个波长正变得越来越重要。然而，检测器技术更具挑战性，因为需要InGaAs传感器，它通常具有较少的像素和分辨率。例如，532纳米通常用于绘制海底地图，因为与更高的波长相比，它在水中的传输率要低得多，对于这种应用，可见光激光器是可以接受的，但对于自动驾驶汽车来说，情况并非如此。然而，到目前为止，1064纳米是目前使用最多的波长。原因是它仍然在硅传感器的范围内，具有所有的优点。
我们在激光表征方面的优势一目了然

准确和可追踪的激光功率/能量测量
脉冲特性/脉冲波形
通过外部光谱仪测量激光光谱
适用于不同几何形状、发散度等的激光的产品范围

在下面的章节中，我们展示了我们标准产品目录中的产品选择，从具有中等扫描频率的小型一体化设备开始，并结合一个积分球，直到具有不同直径的超快速积分球系统。我们也提供定制的解决方案。请与我们联系!

高速组合式积分球和外部检测器系统（高达21千赫）。

PLL-1701

如果脉冲宽度在微秒(µs)或毫秒(ms)的范围内，用一个单一的光电二极管设置就可以直接进行ISO 17025可追踪的辐射功率测量和波形表征。

为此，Gigahertz-Optik开发了一个高速跨阻抗放大器，上升时间低至16微秒，称为PLL-1701。这相当于测量的带宽为21 kHz。

PLL-1701可以通过其BNC连接器与外部探测器一起使用，以兼容全系列的Gigahertz-Optik的光测量探测器。此外，它还提供了一个直接的FC光纤输入，并集成了一个小型积分球。安装在球体上的二极管覆盖了400纳米-1550纳米的波长范围，因此也包括所有相关的激光波长。这意味着在自由空间设置中可以直接耦合到球体的光纤耦合源或激光器可以直接进行测量，而不需要任何其他附件。

外部探测器以及内部积分球可以通过线性和对数放大器来读出。单级对数放大器使PLL-1701能够测量高动态信号，而不需要切换范围。线性放大器的优点是其卓越的线性度和高动态范围，这是由多个增益范围提供的。有了这种灵活性，PLL-1701为许多不同类型的应用提供了可追踪的结果，涵盖了一个大的波长范围s和脉冲特性的选择。

采用双二极管技术的高速积分球（高达0.1 GHz）。

对于超短脉冲和低纳秒范围内的脉冲长度（如8纳秒），由于没有合适的光电二极管，用一个光电二极管直接测量脉冲形状（波形）和辐射脉冲功率（W）是不可能的。这个限制基本上是由跨阻抗放大器的上升时间（通常是低微秒范围）与光电二极管的响应时间和响应性相结合而给出的。

小的光电二极管（有效面积）提供了非常短的响应时间，但需要高的放大倍数，以产生可以测量的信号。如果跨阻抗放大器的速度和光电二极管一样快，或者使用较慢的跨阻抗放大器来降低噪声，这通常会导致很大的噪声。两者都不能满足解决应用的需要。

为了克服这一限制，我们提供了所谓的双二极管技术高速积分球。这意味着两个独立的光电二极管被安装在一个积分球上。

一个经过ISO 17025校准的光电二极管通过使用脉冲拉伸法测量脉冲能量（见附录42）。这使得准确的激光功率和激光能量测量具有低噪音。

此外，还使用了一个上升时间在ns范围内的小型快速光电二极管，它可以测量入射光的相对信号形状（波形），提供一个50欧姆的BNC输出，用于使用示波器或其他放大器。通过将这一时间轮廓与第一个光电二极管的绝对结果相结合，可以用数学方法确定绝对的脉冲形状，因此可以用这样的系统对脉冲进行全面定性。

Gigahertz-Optik为此推出了ISD-xx-SP（SP = 形状和功率）产品系列。它包含不同尺寸的积分球（标准产品直径从16毫米到100毫米不等），这些积分球配备了前面提到的双碘技术，可以全面表征短脉冲以及发散型激光脉冲。不同的球体尺寸和输入端口有助于覆盖所有类型的激光二极管的尺寸和FOV。

ISD-1.6-SP-Vxx

16毫米的硫酸钡积分球，有5毫米或7毫米的输入端口。如果要进行眼睛安全评估，则需要7毫米的输入端口）。整个系统是基于一个精密加工的紧凑型CNC外壳。此外，还提供两个SMA输出，例如用于光谱测量（见我们的分光光度计，紫外-可见-近红外光谱辐射计）。根据要求，可以进行定制调整。

ISD-5P-SP

50毫米的ODM98积分球，有10毫米的输入端口，适用于中等大小的激光直径的应用。第三端口可配置不同的选项，如另一个探测器或用于光谱测量的光纤输出（见我们的分光光度计，紫外-可见-近红外光谱辐射计）。

ISD-10P-SP

100毫米的ODM98积分

100毫米的ODM98积分球有20毫米的输入端口，用于大光源直径的应用。第三端口可配置不同的选项，如另一个检测器或光纤输出，用于光谱测量（见我们的分光光度计，紫外-可见-近红外光谱辐射计）。

为了支持您使用合适的检测器来表征您的脉冲激光源，请与我们联系。我们在整合球体设计和光/激光测量方面有超过25年的经验，可以支持你找到适合你的应用的正确的探测器设置，或者与你合作，为你提供完美的、负担得起的定制解决方案。

校准

对于任何类型的辐射激光功率测量，校准对最终结果的准确性起着关键作用。换句话说，你可以信任的低校准不确定性是很重要的。在这方面，我们提供由我们的DAkkS ISO 17025认证的校准和测试实验室进行的校准。这意味着根据ISO 17025的最高标准被应用到过程中，以确保我们校准的可靠性和可追溯性。所有的校准都可以直接追溯到PTB、德国NMI或类似的NMI。我们的校准实验室涵盖的波长范围为200纳米-2500纳米。