Einleitung
Laserleistungsdetektoren (photodiodenbasierte Detektoren) können durch Umgebungslichtquellen wie Laborbeleuchtung, Sonnenlicht oder Reflexionen von umliegenden optischen Komponenten beeinträchtigt werden. Da Photodioden alle einfallenden Photonen innerhalb ihres spektralen Empfindlichkeitsbereichs erfassen, tragen diese unerwünschten Lichtquellen zum gemessenen Signal bei und führen zu fehlerhaften Ergebnissen.
Das Optische Leistungsmessgerät OPM150 verwendet kalibrierte Photodioden-Messköpfe, die je nach Detektortyp Wellenlängenbereiche von 250 nm bis 2490 nm abdecken und präzise Messungen von sichtbaren und infraroten Lasern ermöglichen.
Um auch bei vorhandenem Umgebungslicht präzise Ergebnisse zu gewährleisten, können kalibrierte optische Filter (z. B. Spektralfilter) eingesetzt werden, um unerwünschtes Licht abzuschwächen, während die Messgenauigkeit erhalten bleibt. Die OPM150-Software unterstützt Filterkalibrierkurven, sodass das Gerät die Filtertransmission automatisch kompensieren und die korrekte optische Leistung des Lasers anzeigen kann.
Inhaltsverzeichnis
Messprinzip
Der Messkopf des OPM150 enthält eine Photodiode, die einen zur einfallenden optischen Leistung proportionalen Strom erzeugt.
Gemessenes Signal: Pgemessen = PLaser + PUmgebung
Dabei gilt:
- PLaser = Leistung der Laserquelle
- PUmgebung = Leistung von Raumlicht und Streustrahlung
Zur Unterdrückung von Umgebungslicht stehen drei Methoden zur Verfügung:
- Software-basierte Subtraktion des Umgebungslichtsignals
- Anbringen eines Tubus an der Detektorfront oder Verwendung anderer mechanischer Lichtabschirmung
- Optische Filterung
Software-basierte Untergrundunterdrückung
Die einfachste Methode ist die Verwendung der Funktion „Deviation" in der OPM150-Software. Diese Funktion speichert das gemessene Signal zum Zeitpunkt der Aktivierung der Funktion und subtrahiert diesen Wert von allen nachfolgenden Messungen.
Zur Anwendung der Untergrundunterdrückung:
- Zu messende Laserquelle blockieren oder ausschalten.
- Messung starten und die Schaltfläche „Deviation" anklicken.
- Zu messende Laserquelle freigeben oder einschalten.
Zu beachten ist, dass diese Lösung nur wirksam ist, wenn der Umgebungslichtpegel konstant ist. Raumbeleuchtung schwankt typischerweise mit 100 Hz oder 120 Hz, was folglich nur unvollständig unterdrückt wird.
Mechanische Abschirmung
Die mechanische Abschirmung ist ebenfalls eine einfache Methode, jedoch nur praktikabel, wenn ausreichend Platz vorhanden ist und die Umgebungsstörung nicht kollinear zum zu messenden Laserstrahl verläuft. Die Messköpfe der OPM150-Serie verfügen über eine Gewindetülle („Nose") am Gehäuse. Tuben können an der Detektorfront angebracht werden, wodurch das Sichtfeld des Detektors effektiv verringert wird. Da Laserstrahlen typischerweise kollimiert sind, können sie den Tubus ungehindert durchqueren. Je länger der Tubus, desto wirksamer ist die Unterdrückung von Umgebungslicht.
Optische Filterung
Die Verwendung eines Filters reduziert unerwünschte Anteile, selbst wenn diese kollinear zum zu messenden Laserstrahl verlaufen:
Pgemessen = TFilter (λ) · PLaser + TFilter, Umgebung · PUmgebung
Wenn der Filter Umgebungswellenlängen stark abschwächt, während er die Laserwellenlänge durchlässt (d. h. TFilter,Umgebung << TFilter(λ)), wird der Umgebungsanteil vernachlässigbar.filter,ambient << Tfilter(λ), the ambient contribution becomes negligible.
Verfügbare Filteroptionen
Typische, mit dem OPM150 verwendete Filter umfassen:
Spektralfilter
Dienen dazu, unerwünschte Wellenlängen (z. B. Raumlicht) zu blockieren, während die Laserwellenlänge transmittiert wird.
Beispiele:
- Bandpassfilter
- Kurzpassfilter
- Langpassfilter
Neutraldichtefilter
Werden hauptsächlich eingesetzt, um den auf die Photodiode einfallenden optischen Leistungspegel zu reduzieren und dadurch die vom Detektor messbare Leistung zu erhöhen.
Als Zubehör mitgelieferte Beispiele:
- OD1-Filter → ~10 % Transmission
- OD2-Filter → ~1 % Transmission
Diese Filter werden mit Kalibrierdatendateien geliefert, sodass das System deren Abschwächung kompensieren kann.
Hardware-Aufbau
Schritt 1 — Zusammenbau des Messsystems
Erforderliche Komponenten:
- OPM150-Basismodul (Optisches Leistungsmessgerät)
- Kompatibler Messkopf (z. B. Si, Ge oder InGaAs)
- Kalibrierter Filter in der zugehörigen Filterhalterung
Vorgehensweise:
- Den Messkopf mit dem OPM150-Basismodul verbinden.
- Die Filterhalterung auf das Frontgewinde des Detektors schrauben.
- Die Justage überprüfen, sodass der Strahl vollständig durch die Filteröffnung tritt.
- Die Filterkalibrierdatei laden, die der Seriennummer des montierten Filters entspricht.
Bei Bedarf zusätzlicher Filterfunktionalität können mehrere Halterungen kaskadiert werden.
Laden der Filterkalibrierdatei
Um die Messgenauigkeit zu gewährleisten, muss das Transmissionsspektrum des Filters der OPM150-Software „bekannt" sein.
Jeder Filter wird mit einer Kalibrierdatei geliefert, die wellenlängenabhängige Transmissionswerte enthält.
Dateistruktur
Die Datei enthält:
Filtername
Anfangswellenlänge
Endwellenlänge
Transmissionswerte in 10-nm-Schritten
Die Transmissionsdaten müssen hinsichtlich Wellenlängenbereich und -abstand übereinstimmen, um von der Software akzeptiert zu werden. Zudem muss der Wellenlängenbereich des Filters innerhalb des Wellenlängenbereichs des Messkopfs liegen, an dem der Filter montiert wurde.
Vorgehensweise
- Die OPM150-Steuerungssoftware starten.
- Im Dropdown-Menü „Channel 1" oder „Channel 2" auswählen, je nachdem, an welchem Detektor der Filter montiert ist.
- „Load Filter" auswählen, um die mit dem Filter gelieferte Kalibrierdatei zu laden.
- Die entsprechende Filterdatei aus der Liste der verfügbaren Dateien auswählen. Die Filterdateien tragen das Namensformat *.flt.
- Die Laserwellenlänge in der Software passend zur Messwellenlänge einstellen. Dadurch wird sichergestellt, dass Detektorkalibrierung und Filterkorrektur korrekt angewendet werden.
Nach dem Laden korrigiert die Software automatisch die gemessenen Leistungswerte anhand der Filtertransmissionskurve. Wird der Filter physisch entfernt, muss die geladene Filterdatei abgewählt werden, um ohne Filter präzise zu messen.
Bewährte Verfahren
- Spektralfilter nach Möglichkeit verwenden
Ein schmalbandiger, auf die Laserwellenlänge zentrierter Bandpassfilter reduziert Umgebungslicht erheblich.
- Detektor abschirmen
Selbst bei Verwendung von Filtern können Streureflexionen in den Detektor gelangen. Sofern ausreichend Platz vorhanden ist, werden optische Tuben empfohlen.
Fehlerbehebung
Problem | Ursache | Lösung |
Gemessene Leistung zu niedrig | Filterabschwächung nicht korrigiert | Filterkalibrierdatei laden |
Schwankendes Signal | Modulation durch Umgebungslicht | Abschirmung verbessern |
Sättigung des Detektors | Laser zu stark | OD-Filter verwenden |
Unerwartetes Wellenlängenverhalten | Falscher Detektortyp | Geeigneten Messkopf auswählen |
Zusammenfassung
Die Verwendung kalibrierter Filter mit dem OPM150-Leistungsmessgerät ermöglicht präzise Laserleistungsmessungen selbst in Umgebungen mit erheblichem Umgebungslicht.
Wesentliche Punkte:
- Filter unterdrücken unerwünschtes Licht, bevor es den Detektor erreicht.
- Kalibrierdateien stellen sicher, dass die Transmissionseigenschaften kompensiert werden.
- Die OPM150-Software unterstützt mehrere Filterkurven zur automatisierten Korrektur.
- Die Kombination aus spektraler Filterung, geeigneter Abschirmung und Abschwächung (falls erforderlich) liefert die beste Messgenauigkeit.
About the Author:
Donovan Ellis
Product Specialist & Sales
Donovan Ellis hat Computertechnik in Hamilton, Ontario, studiert und arbeitet heute als Vertriebs- und Produktspezialist für Messinstrumente bei Artifex Engineering. Durch den täglichen Kontakt mit Kunden kennt er deren Fragen und Herausforderungen aus erster Hand – von der Konzeption und Planung bis hin zur Kalibrierung und dem Aufbau von Geräten kennt er die alltäglichen Probleme und Herausforderungen des Fachs.
