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ISD-1.6-SP-Vxx

Detektor für die schnelle, zeitlich aufgelöste Messung (ns) der Strahlungsleistung von gepulsten Laserdioden und LEDs

  • Ulbrichtkugel zur Vermessung von Laserleistung und Pulsverlauf
  • Ideal zur Strahlprofil-Laser, Modenlaser oder LiDAR-Laser Charakterisierung
  • Pulsverlauf mit Spitzenleistung und Pulsenergie (in Joule) von Pulsen mit Pulslängen im einstelligen ns-Bereich
  • Optional: 7 mm Messöffnung für Augensicherheit gemäß IEC 62471/CIE S 009/E:2006 (Photobiological Safety of Lamps and Lamp Systems)
ISD-1.6-SP-Vxx

Puls-Laserdioden. LiDAR Laser, VCSEL und Puls-LEDs für den Einsatz in Entfernungsmessgeräten, Umgebungsscannern und zur Bilderfassung emittieren wenige Nanosekunden (ns) kurze Pulse mit sehr hoher Spitzenleistung. Zur Messung des zeitlich aufgelösten Pulsverlaufs sind schnelle Detektoren (kurze Anstiegszeit) erforderlich. Dies sind in der Regel kleinflächige Fotodioden mit Durchmessern von zum Teil deutlich weniger als 1 mm. Technische Details bezüglich Ansiegszeit und Pulsverlaufsmessung mit Photodiode finden sie beispielsweise in unserem Informationsportal. Aus den kleinen Flächengrößen der Fotodioden ergeben sich messtechnische Einschränkungen: 

  • Die Ausdehnung des Laserspots ist größer als die aktive Fläche der Fotodiode selbst. Somit ist keine Messung der Strahlungsleistung (W) mit der Fotodiode allein möglich.
  • Die Position der Fotodiode im Laserspot ist kritisch wegen eventueller Moden (inhomogener Laserspot).
  • Sehr kleine Fotodioden lassen sich nicht oder mit großer Kalibrierunsicherheit absolut kalibrieren.
  • Vorsatzoptiken zur Fokussierung des Laserspots auf die Fotodiodenfläche lassen sich nicht kalibrieren.
  • Die elektronische Beschaltung der Fotodioden für kurze Pulslängen bedeutet eine weitere Einschränkung der Kalibrierfähigkeit.

Mit den Detektoren der ISD-1.6-SP-Serie bietet Gigahertz-Optik in Verbindung mit den Optometern der P-9710 Serie oder der P-21 Serie eine Möglichkeit zur Bestimmung der absoluten Spitzenleistung und Pulsverlaufsform von Puls-Lasern und Puls-LEDs verschiedenster Anwendungen.

Um die genannten Einschränkungen von reinen Fotodioden zu Überwinden wird eine Technologie basierend auf einer kleinen Ulbrichtkugel sowie zwei sich ergänzenden Fotodioden genutzt.


Funktion- und Aufbau

Der Detektor basiert auf zwei Fotodioden, die an eine kompakte Ulbrichtkugel angekoppelt sind. Die erste Fotodiode besitzt eine kurze Anstiegszeit und ermöglicht die Messung des relativen zeitlichen Intensitätsverlaufs in Verbindung mit einem beispielsweise ausreichend schnellen Oszilloskop (Pulslänge, Halbwertsbreite, Spitzenleistung). Die zweite Fotodiode misst die absolute Pulsenergie (in Joule) eines einzelnen Pulses bzw. einer Pulsfolge. Die Auswertung erfolgt durch ein Gigahertz-Optik Optometer der P-9710 oder P-21 Serie nach der Pulse-Stretching Methode. Folglich kann die absolute Spitzenleistung kann aus der Pulsenergie und des zeitlichen Pulsverlaufs berechnet werden. Somit kann die gepulste Lichtquelle mit diesem kombinierten zweifachen Diodensystem komplett charakterisiert werden.

Die Ulbricht'sche Kugel mit 16 mm Durchmesser bietet eine Messöffnung mit 5 mm, alternativ 7 mm (Augensicherheit IEC 62471/CIE S 009/E:2006), Durchmesser und kann zur Messung der absoluten Strahlungsleistung (W) kalibriert werden. Wegen des sehr geringen Kugeldurchmessers der Ulbrichtkugel sind die zeitlichen Pulsverformungen (Puls-Stretching-Effekt von Ulbrichtkugeln durch die Laufzeit bedingt) gegenüber Ulbricht’schen Kugeln mit größeren Durchmessern gering. Dadurch werden Pulse mit wenigen Nanosekunden Pulslänge kaum verlängert und können zeitlich aufgelöst vermessen werden. Die Kugel selbst, die Fotodioden und die elektrische Schaltung befinden sich in einem Al-Gehäuse, welches präzessions-CNC gefräst  und gegen Störsignalen geschützt ist.

Der Anschluss des optionalen Oszilloskops erfolgt über eine BNC-Buchse. Das Optometer wird über ein 2 m Kabel mit Kalibrierdatenstecker angeschlossen. In diesem sind die Kalibrierdaten gespeichert.

Die Ulbricht’sche Kugel bietet zusätzlich zwei SMA-Faseranschlüsse. An diese kann zum Beispiel ein Spektrometer zur Messung der Wellenlänge und eine Hilfslampe zur Kompensation von eventuellen Einflüssen der Rückreflexion durch die Probe an der Messöffnung (Selbstabsorptionskorrektur) angeschlossen werden. Ideal geeignet könnte auch eines unserer BTS2048 Serie High-End-Spektralradiometer sein.

Wegen ihres kleinen Durchmessers ist der Kugelfaktor der Ulbricht‘schen Kugel relativ gering. Dadurch ist in der Ausführung mit 7 mm Messöffnung die zulässige Strahldivergenz gegenüber der Version mit 5 mm zusätzlich eingeschränkt.


Auswertung

Gigahertz-Optik bietet verschiedene Optometer mit der erforderlichen „Pulse-Energy“ Messfunktion zur Messung der Pulsenergie kurzer Pulssignale:

P-9710-2: Ein-Kanal Optometer mit manueller Auslösung der Messung

P-9710-4: Ein-Kanal Optometer mit TTL Triggereingang zur Auslösung der Messung

P-2000-2: Zwei-Kanal Optometer

P-9801-V02: Acht-Kanal Optometer

P-21: Touchscreen Ein-Kanal Optometer mit manueller oder Triggerauslösung der Messung

Zur Auswertung des zeitlichen Pulsverlaufs muss der Anwender ein ausreichend schnelles Oszilloskop bereitstellen.   


Kalibrierung

Die Werk-Kalibrierung der spektralen Empfindlichkeit des Detektors für Pulsenergie erfolgt durch das ISO/IEC 17025 Prüflabor/Kalibrierlabor für optische Strahlungsmessgrößen der Gigahertz Optik GmbH. Das Prinzip der Puls-Stretch-Methode ermöglicht die Kalibrierung des Detektors im CW-Betrieb. Die CW-Kalibrierung ist Rückführbar zu Nationalen Metrologie Instituten (NMI's).  


Anwendungen

Die Einsatzbereiche des Detektors finden sich beispielsweise in der Entwicklung sowie der  On- und In-Line Qualitätssicherung von Pulslaserdioden, LiDAR Lasern, VCSEL und Puls-LEDs. Zudem bei Messaufgaben im Rahmen der Anwendung der genannten Pulslaserdioden und Puls-LEDs.

Mit der 7 mm Messöffnung ist der Detektor zusätzlich für Messaufgaben im Rahmen des Laserschutzes geeignet (ISD-1.6-SP-V01 mit 7 mm Apertur zum Nachweis der Augensicherheit gemäß IEC 62471/CIE S 009/E:2006 (Photobiological Safety of Lamps and Lamp Systems).

Bild 1: ISD-1.6-SP-V02 Detektor mit Ein-Kanal Optometer P-9710-2

Bild 1: ISD-1.6-SP-V02 Detektor mit Ein-Kanal Optometer P-9710-2

Bild 2: Systemdarstellung, Oszilloskop, P-9710-2, ISD-1.6-SP-V02

Bild 2: Systemdarstellung, Oszilloskop, P-9710-2, ISD-1.6-SP-V02

Bild 2: Schematische Darstellung (1: Ulbrichtkugel 2: Messöffnung 3: Kugelfläche der Erstreflexion 4: Puls-Energie Fotodiode 5: Pulsverlauf Fotodiode 6: 2 x SMA Buchse 7: Kabel für Optometer 8: BNC Buchse Oszilloskop 9: Vorspannung)

Bild 2: Schematische Darstellung (1: Ulbrichtkugel 2: Messöffnung 3: Kugelfläche der Erstreflexion 4: Puls-Energie Fotodiode 5: Pulsverlauf Fotodiode 6: 2 x SMA Buchse 7: Kabel für Optometer 8: BNC Buchse Oszilloskop 9: Vorspannung)

 Bild 3: Schematische Messanordnung (1: ISD-1.6-SP-Vxx 2: Oszilloskop 3: P-9710-4 4: Vorspannung 5: TTL-Signal Triggereingang

 Bild 3: Schematische Messanordnung (1: ISD-1.6-SP-Vxx 2: Oszilloskop 3: P-9710-4 4: Vorspannung 5: TTL-Signal Triggereingang

Bild 4: Typische spektrale Empfindlichkeit

Bild 4: Typische spektrale Empfindlichkeit

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