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Messung gepulster Laserstrahl

Laserleistungsmessung

App. 042

Messung der Laserleistung

Laser werden heute in vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Optische Kommunikation, Laserdruck, Materialbearbeitung, Abstandsmessung (LiDAR), Medizin und Massenspektrometrie, um nur einige zu nennen.

Bei vielen dieser Anwendungen müssen die Leistung (Spitzenleistung, mittlere Leistung, Pulsform) oder die Energie sowie die Stabilität des verwendeten Lasers gemessen werden, um beispielsweise die Sicherheit gemäß den Sicherheitsnormen wie die Richtlinie über künstliche optische Strahlung 2006/25/EC oder die Laserklassifizierung gemäß EN 60825-1 zu kontrollieren. Für solche Messungen kann die Kombination aus einem photodiodenbasierten Sensor und einem elektronischen Auslesegerät (Optometer) verwendet werden.

Die Photodiode wandelt die eintreffende Laserstrahlung in einen elektrischen Strom um, der vom Optometer ausgelesen wird. Mit Hilfe einer radiometrischen Kalibrierung (z.B. durch das ISO 17025 akkreditierte Kalibrierlabor von Gigahertz-Optik) zeigt das Optometer die resultierende optische Leistung (in W) bei der gewünschten Wellenlänge an.

Dieses bewährte Messkonzept funktioniert sowohl für CW-Quellen als auch für gepulste Quellen. Bei gepulsten Quellen wird normalerweise die mittlere Leistung gemessen. Daher müssen die Integrationszeit und die Pulsfrequenzen aufeinander abgestimmt sein.

Manchmal wird auch die Pulsform benötigt, siehe App 022 oder ISD-1.6-SP-Vxx. Das Optometer kann auch die Messzeit berücksichtigen und die Laserleistung über die Zeit integrieren, wobei die resultierende Energie/Laserdosis (in J) direkt angezeigt wird.

Die minimale und maximale Leistung, die gemessen werden kann, ergibt sich aus der Kombination von Detektor und Optometer, die verwendet wird. Unsere Produkte decken in der Regel einen sehr großen Leistungsbereich von wenigen nW bis hin zu kW ab, da wir über Transimpedanzverstärker mit mehreren Verstärkungsstufen verfügen.

Pulsenergiemessung/Dosismessung

Mit dem Optometer P-9710 und seinem Nachfolger, dem P-21, bietet Gigahertz-Optik auch ein präzises Optometer zur Messung der ankommenden Pulsenergie. Diese Messung erfolgt nach dem Prinzip der so genannten Pulsstreckungsmethode.

Das von der Photodiode eingehende Signal wird zeitlich gestreckt, um es an die Anstiegszeit des im Optometer eingebauten Transimpedanzverstärkers anzupassen.

Während dieser Streckung bleibt die Energie konstant (Bereich A1 = A2), aber der Bereich A2 kann im Vergleich zu A1 viel höher und damit genauer abgetastet werden. Das Endergebniss zeigt die Laserenergie (in J) auf dem Detektor während der Messung. Dies bietet die Möglichkeit, Pulsenergien von Pulsketten sowie Einzelpulse bis in den ns-Bereich präzise zu messen. Für Einzelpulse wird eine Triggermöglichkeit angeboten.

Detektor-Setups

Für die Messung der Laserleistung sind zwei verschiedene Arten von Detektoren weit verbreitet.

Photodiode ohne weiteres Zubehör:

Dieser Messaufbau ist sehr einfach gehalten. Er besteht aus einer verdrahteten Photodiode in einem Metallgehäuse, die mit dem Optometer verbunden ist. Aufgrund der hohen Linearität von Photodioden ermöglicht dieser Aufbau die präzise Messung von Lasern mit geringer und mittlerer Leistung.

Da die Photodiode nur optische Strahlung oder Licht messen kann, das auf ihrer aktiven Fläche auftrifft, muss der Laserspot auf der Diode kleiner sein als die aktive Fläche der Photodiode, um die Gesamtleistung genau zu messen. Dies begrenzt den Durchmesser des Laserspots auf einen bestimmten Wert (typischerweise einige mm). Außerdem wird die maximale Leistung durch die Empfindlichkeit der Photodiode, die Linearität (Sättigung) und den maximalen Eingangsstrom des Optometers begrenzt (typische Maximalwerte liegen im Bereich von wenigen mW). Natürlich können in gewissem Umfang auch optische Dichtefilter (ND-Filter) verwendet werden.

Reine Photodiodendetektoren können für die CW-, Pulsenergie- und Pulsformanalyse verwendet werden (die Anstiegszeit der Diode muss berücksichtigt werden).

  • Vorteile: Sehr hohe Empfindlichkeit, schnelle Ansprechzeit
  • Nachteile: Begrenzte Größe des Laserspots, begrenzte maximale Leistung

Detektor auf der Basis einer Ulbricht-Kugel:

Bei diesem Detektorkonzept wird eine Photodiode mit einer hochreflektierender Hohlkugel verbunden, eine so genannte Ulbrichtkugel. Dieser Aufbau wird anschließend in unserem Kalibrierungslabor, welches nach ISO 17025 zertifiziert ist, kalibriert. Um die optische Leistung genau messen zu können, muss die gesamte optische Strahlung durch die Eingangsöffnung in die Ulbricht-Kugel eingekoppelt werden.

Bei diesem Konzept/Messaufbau ist die Flexibilität sehr viel größer, da Kugeldurchmessern von 8 mm bis 1 m realisierbar sind. Daher ist es möglich, die Messöffnungen (Eintrittsöffnung der Ulbricht-Kugel) entsprechend zu gestalten und bei Bedarf große Laserdurchmesser oder stärker divergierende Strahlen zu messen. Optische Leistungen können durch die Kombination von optischen Dichtefiltern und Kugeldurchmesser (Abschwächung durch größere Kugeln) einfacher angepasst werden. Außerdem kann der dynamische Bereich durch die Verwendung mehrerer Photodioden in einer Ulbricht-Kugel für verschiedene optische Leistungsbereiche erweitert werden. Insgesamt können bei diesem Ansatz maximale Laserleistungen von mehr als 100 W erreicht werden, die noch korrekt gemessen werden können.

Bei der Messung kurzer Pulse (ns-Bereich) führen größere Ulbrichtkugeln jedoch zu einer Pulsstreckung, da das Licht innerhalb der Kugel durch Mehrfachreflexionen eine längere Laufzeit aufweist bis es detektiert wird. Daher können für die Analyse der Pulsform nur kleine Kugeln verwendet werden oder der Kugeldurchmesser muss an die erwartete Pulslänge angepasst werden. Auch Detektoraufbauten mit zwei Detektoren sind möglich, um den spezifischen Anforderungen gerecht zu werden. Hier können wir Ihnen unsere Unterstützung und Erfahrung anbieten und mit Ihnen die beste Lösung für Ihre Anwendung liefern. Siehe z.B. unsere 16 mm ISD-1.6-SP-Vxx innovative Dual-Sensor Ulbrichtkugel, die u.a. zur LiDAR-Lasercharakterisierung eingesetzt wird.

Gigahertz-Optik bietet sowohl Standardkugelsysteme als auch eine hohe Flexibilität bei kundenspezifischen Aufbauten an. Dies führt dazu, dass verschiedene Geometrien sowie Diodenkombinationen möglich sind. Siehe unser modulares Ulbrichtkugelkonzept (Baukasten).

  • Vorteile: Hohe Empfindlichkeit, Flexibilität, großer Leistungsbereich möglich, Multidetektorlösungen
  • Nachteile: Streckung von gepulsten Signalen (nur für Pulsformmessungen im ns-Bereich relevant), größere Abmessungen

Kalibrierung

Bei jeder Art von radiometrischer Laserleistungsmessung spielt die Kalibrierung für die Präzision des Endergebnisses eine Schlüsselrolle. Mit anderen Worten, eine geringe Kalibrierunsicherheit, der Sie vertrauen können, ist wichtig. In diesem Zusammenhang bieten wir Kalibrierungen aus unserem DAkkS ISO 17025 akkreditierten Kalibrier- und Prüflabor an. Das bedeutet, dass bei der Gigahertz Optik GmbH 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 NMI (Nationale Metrologie Institut) oder vergleichbare NMIs. Unser Kalibrierlabor deckt den Wellenlängenbereich von 200 nm - 2500 nm ab.


Produkte

Hier können Sie sich einen ersten Überblick über unsere Produkte Lichtmessgeräte für Laserstrahlung verschaffen. Auch unser Spektralradiometer für radiometrische Messaufgaben können mit Ulbrichtkugeln für spektrale Laserleistungsmessungen kombiniert werden. Bitte kontaktieren Sie uns für weitere Informationen.