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Zeitlogger

Hochgeschwindigkeits-Detektoren für Pulsenergie- und Pulsformmessung von Laser/VCSELs

App. 022

Die LiDAR-Technologie wird in immer mehr verschiedenen Anwendungen aktiv eingesetzt. Das Spektrum reicht von der Automobilbranche über die topografische Kartierung aus der Luft und die Sicherheit bis hin zu landwirtschaftlichen und industriellen Anwendungen. Die meisten dieser Anwendungen erfordern Laserdioden, die kurze Pulse (bis in den ns-Bereich) mit Spitzenleistungen von mehreren Watt oder sogar kW aussenden, um räumlich hochauflösende LiDAR-Messlösungen und einen großen Erfassungsbereich zu ermöglichen. Vor allem neue Technologien wie Flash-Lidar-Systeme basieren auf Lichtlaufzeitmessungen, mit der Besonderheit, dass sie keine Strahlscanner benötigen, da nur ein kurzer Laserpuls mit großer Divergenz verwendet wird, um die gesamte Szene zu erhellen. Die Tiefe der angetroffenen Objekte kann dann anhand der Messung des zurückgeworfenen Lichts auf einmal ermittelt werden, wodurch eine 3D-Kartierung der Umgebung in Echtzeit ermöglicht wird [1].

Eine häufig verwendete Halbleitertechnologie für solche Aufgaben sind „Vertical Cavity Surface Emitting Lasers“ (VCSELs). Diese weisen typischerweise ein elliptisches Strahlprofil mit hoher Divergenz auf, das durch den Einsatz von Optiken vor der Laserdiode noch angepasst werden kann. Um eine vollständige zeitliche Charakterisierung von VCSEL - bzw. dieser Art von LIDAR-Quellen - durchzuführen, reicht die mittlere Leistung allein nicht aus. Auch Eigenschaften wie Pulsbreite, Pulsform, Pulsfrequenz und Spitzenleistung stehen im Vordergrund.

Pulslänge

Die Pulsbreite entspricht der räumlichen Auflösung des Ziels (vertikal oder horizontal, abhängig von der Abtasttrajektorie). Kürzere Pulse führen zu einer höheren räumlichen Auflösung und sind daher im Allgemeinen wünschenswert. Allerdings muss der Detektorteil in der Lage sein, solche kurzen Pulse und die damit meist verbundenen niedrigen Signale zu verarbeiten.

Pulsform

Der wichtigste Parameter ist hier die Gaußform des Pulses. Treten andere Pulsformen auf, sind die Ergebnisse des LiDAR unzuverlässig (siehe [2]). Zeigt der Puls z. B. aufgrund eines Fehlers in der Steuerelektronik eine Doppelspitze, sind die LiDAR-Messungen mit größeren Unsicherheiten behaftet.

Pulsfrequenz/Pulswiederholrate

Um die Abtastrate des LiDAR-Systems zu erhöhen, ohne die Scangeschwindigkeit zu verringern, ist die Erhöhung der Freuqnenz der Pulse eine sinnvolle Option. Die Systeme haben sich vom kHz-Bereich in der Vergangenheit zum MHz-Bereich in der Gegenwart weiterentwickelt.

Spitzenleistung

Eine höhere Spitzenleistung führt zu stärkeren reflektierten Signalen und damit zu einer größeren Messentfernung, die das LiDAR-System abdecken kann. Ein weiterer Effekt ist, dass auch schwach reflektierende Materialien/Objekte erfasst werden können. Dies führt dazu, dass hohe Spitzenleistungen das Ziel sind. Die Sicherheit der Augen muss jedoch weiterhin gewährleistet sein, was die Höchstleistung für die meisten Anwendungen begrenzt.

Klassische Laserleistungsmessung

Für die klassischen Messungen von mittlerer Leistung und Pulsenergie siehe unseren Artikel über Laserleistungsmessungen (siehe App. 42).

Hochgeschwindikeitsmessung von Laser

Gigahertz-Optik bietet verschiedene Messlösungen für die genannten Hochgeschwindigkeitslaser an, die den Wellenlängenbereich von 200 nm - 1800 nm abdecken, der die hauptsächlich verwendeten Frequenzen wie 532 nm, 905 nm, 940 nm, 1064 nm und 1550 nm umfasst. Darüber hinaus sind wir in der Lage, Lösungen für verschiedene Lasergrößen, Strahlprofile, Zeitbereiche oder sogar kundenspezifische Lösungen einschließlich rückführbarer Kalibrierungen mit sehr geringen Kalibrierunsicherheiten anzubieten. 

1550 nm scheint eine "augensichere Wellenlänge" für LiDAR-Geräte zu sein (siehe DIN 60825 und [3]) und stellt eine kosteneffiziente Lösung dar, da hohe Leistungen zu günstigen Preisen verfügbar sind. Darüber hinaus sind 1550 nm bei Nebel von Vorteil, da es weniger von Wasser absorbiert wird. Folglich gewinnt diese Wellenlänge immer mehr an Bedeutung. Allerdings ist die Detektortechnologie anspruchsvoller, da InGaAs-Sensoren benötigt werden, die in der Regel mit weniger Pixeln und einer geringeren Auflösung einhergehen. 532 nm wird z. B. typischerweise für die Kartierung des Meeresbodens verwendet, da seine Transmission im Wasser im Vergleich zu höheren Wellenlängen weitaus geringer ist und für diese Anwendung ein sichtbarer Laser akzeptabel ist, was bei autonomen Fahrzeugen nicht der Fall ist.

Dennoch ist 1064 nm derzeit die am häufigsten verwendete Wellenlänge. Das liegt daran, dass sie noch im Bereich der Si-Sensoren mit all ihren Vorteilen liegt.

Unsere Stärken in der Lasercharakterisierung auf einen Blick

  • Genaue und rückführbare Laserleistungs-/Energiemessung
  • Pulseigenschaften / Pulswellenform
  • Laser-Spektrum durch externes Spektralradiometer
  • Produktpalette für verschiedene Geometrien, Divergenzen, etc. des Lasers

In den folgenden Abschnitten zeigen wir eine Produktauswahl aus unserem Standard-Produktkatalog, beginnend mit einem kleinen All-in-One-Gerät mit mittlerer Abtastfrequenz und eingebauter Ulbrichtkugel bis hin zu ultraschnellen Ulbrichtkugel-Systemen mit verschiedenen Durchmessern.

Wir bieten auch kundenspezifische Lösungen an. Bitte kontaktieren Sie uns!

Kombiniertes Hochgeschwindigkeits-Ulbrichtkugel- und externes Detektorsystem (bis zu 21 kHz)

PLL-1701

Bei Pulslängen im Bereich von Mikrosekunden (µs) oder Millisekunden (ms) ist eine direkt ISO 17025 rückführbare radiometrische Leistungsmessung und Charakterisierung des Pulsverlaufs mit einem einzigen Photodiodenaufbau möglich.

Dazu hat Gigahertz-Optik einen Hochgeschwindigkeits-Transimpedanzverstärker mit einer Anstiegszeit von bis zu 16 µs entwickelt, das PLL-1701. Dies entspricht einer Bandbreite von 21 kHz für die Messung.

Das PLL-1701 kann über seinen BNC-Anschluss mit externen Detektoren betrieben werden und ist damit kompatibel zu allen Lichtmessdetektoren von Gigahertz-Optik. Darüber hinaus bietet es einen direkten FC-Fasereingang mit einer eingebauten kleinen Ulbrichtkugel. Die an der Kugel montierte Diode deckt den Wellenlängenbereich von 400 nm - 1550 nm und damit auch alle relevanten Laserwellenlängen ab. Das bedeutet, dass fasergekoppelte Quellen oder Laser, die in einem Freiraumaufbau direkt in die Kugel eingekoppelt werden können, ohne weiteres Zubehör direkt gemessen werden können.

Sowohl externe Detektoren als auch die interne Ulbrichtkugel können sowohl mit einem linearen als auch mit einem logarithmischen Verstärker ausgelesen werden. Der einstufige logarithmische Verstärker ermöglicht es dem PLL-1701, hochdynamische Signale zu messen, ohne zwischen den Bereichen umschalten zu müssen. Die Vorteile des linearen Verstärkers sind seine hervorragende Linearität und sein hoher Dynamikbereich durch mehrere Verstärkungsbereiche.

Mit dieser Flexibilität liefert die PLL-1701 rückführbare Ergebnisse für verschiedenste Anwendungen und deckt einen großen Bereich von Wellenlängen sowie Pulseigenschaften ab.

Hochgeschwindigkeits-Ulbrichtkugeln mit Zwei-Dioden-Technologie (bis zu 0,1 GHz)

Für ultrakurze Pulse und Pulslängen im niedrigen ns-Bereich (z.B. 8 ns) ist eine direkte Messung von Pulsform (Wellenform) und radiometrischer Pulsleistung (W) mit einer Photodiode nicht möglich, da keine geeigneten Photodioden verfügbar sind. Die Grenze ist im Wesentlichen durch die Anstiegszeit von Transimpedanzverstärkern (in der Regel im niedrigen Mikrosekundenbereich) in Kombination mit der Ansprechzeit und Empfindlichkeit der Photodiode gegeben.

Kleine Photodioden (aktive Fläche) bieten eine sehr kurze Ansprechzeit, benötigen aber eine hohe Verstärkung, um messbare Signale zu erzeugen. Dies führt in der Regel zu einem starken Rauschen, wenn der Transimpedanzverstärker so schnell ist wie die Photodiode oder es werden langsamere Transimpedanzverstärker zur Verringerung des Rauschens verwendet. Beides ist für die Anforderungen der Anwendung nicht zufriedenstellend.

Um diese Einschränkung zu überwinden, bieten wir unsere Hochgeschwindigkeits-Ulbrichtkugeln mit der so genannten Zwei-Dioden-Technologie an. Dies bedeutet, dass zwei separate Photodioden an einer einzigen Ulbrichtkugel montiert sind.

Eine nach ISO 17025 kalibrierte Photodiode misst die Pulsenergie mit Hilfe der Puls-Stretching-Methode (weitere Details siehe App. 42). Dies ermöglicht genaue Messungen von Laserleistung und Laserenergie mit geringem Rauschen.

Darüber hinaus wird eine kleine schnelle Photodiode mit Anstiegszeiten im ns-Bereich verwendet, die die relative Signalform (Wellenform) des einfallenden Lichts misst und einen 50-Ohm-BNC-Ausgang für die Verwendung mit Hilfe eines Oszilloskops oder eines anderen Verstärkers bietet. Durch die Kombination dieses zeitlichen Profils mit der absoluten Messung der ersten Photodiode kann die absolute Pulsform mathematisch bestimmt werden und der Puls kann mit einem solchen System schließlich vollständig charakterisiert werden.

Gigahertz-Optik hat zu diesem Zweck die Produktfamilie ISD-xx-SP (SP = Shape and Power) eingeführt. Sie enthält Ulbrichtkugeln in verschiedenen Größen (Standard sind 16 mm bis 100mm), die mit der bereits erwähnten Zwei-Dioden-Technologie ausgestattet sind, um kurze Pulse, auch divergente Laserpulse, vollständig zu charakterisieren. Unterschiedliche Kugelgrößen sowie Eingangsanschlüsse helfen, alle Größen sowie FOVs von Laserdioden abzudecken.

ISD-1.6-SP-Vxx

16 mm Bariumsulfat Ulbrichtkugel mit 5 mm oder 7 mm Eingangsport. Die 7-mm-Eingangsöffnung wird benötigt, wenn Augensicherheitsuntersuchungen nach DIN IEC 62471 durchgeführt werden). Das gesamte System basiert auf einem präzisionsgefertigten kompakten CNC-Gehäuse. Zusätzlich werden zwei SMA-Ausgänge für z.B. Spektralmessungen angeboten (siehe Spektrale Lichtmessgeräte, UV-VIS-NIR Spektralradiometer). Kundenspezifische Anpassungen sind auf Anfrage möglich.

ISD-5P-SP

50 mm ODM98 Ulbrichtkugel mit 10 mm Eingangsport für Anwendungen mit mittelgroßen Laserdurchmessern. Dritter Port konfigurierbar mit verschiedenen Optionen wie einem weiteren Detektor oder Faserausgängen für spektrale Messungen (siehe unsere Spektrale Lichtmessgeräte, UV-VIS-NIR Spektralradiometer).

ISD-10P-SP

100 mm ODM98 Ulbrichtkugel mit 20 mm Eingangsport für Anwendungen mit großen Lichtquellendurchmessern. Dritter Port konfigurierbar mit verschiedenen Optionen wie einem weiteren Detektor oder Faserausgang für Spektralmessungen (siehe unsere Spektrale Lichtmessgeräte, UV-VIS-NIR Spektralradiometer).

Um Sie mit einem geeigneten Detektor zur Charakterisierung Ihrer gepulsten Laserquellen zu unterstützen, setzen Sie sich bitte mit uns in Verbindung. Wir verfügen über mehr als 25 Jahre Erfahrung in der Integration von Kugeldesign und Licht-/Lasermessung und können Sie bei der Suche nach dem richtigen Detektoraufbau für Ihre Anwendung unterstützen oder mit Ihnen an Ihrer perfekten, kostengünstigen und maßgeschneiderten Lösung arbeiten.

Kalibrierung

Bei jeder Art von radiometrischer Laserleistungsmessung spielt die Kalibrierung eine Schlüsselrolle für die Genauigkeit des Endergebnisses. Mit anderen Worten, eine geringe Kalibrierunsicherheit, der Sie vertrauen können, ist wichtig. In dieser Hinsicht bieten wir Kalibrierungen aus unserem DAkkS ISO 17025 akkreditierten Kalibrier- und Prüflabor an. Das bedeutet, dass bei den Prozessen höchste Standards gemäß ISO 17025 angewendet werden, um die Zuverlässigkeit und Rückführbarkeit unserer Kalibrierungen zu gewährleisten. Alle Kalibrierungen sind direkt rückführbar auf die PTB, das deutsche Nationale Messtechnische Institut (NMI) oder vergleichbare NMIs. Unser Kalibrierlabor deckt den Spektralbereich von 200 nm - 2500 nm ab.

Referenzen

[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