Einleitung
Viele optische Quellen strahlen Licht in mehrere Richtungen ab, anstatt es in einem schmalen Strahl zu bündeln. Die Messung der Gesamtleistung solcher Quellen kann sich als schwierig erweisen, da herkömmliche Detektoren nur einen Teil des abgestrahlten Lichts erfassen.
Eine Ulbrichtkugel (Integrating Sphere) löst dieses Problem, indem sie das Licht innerhalb eines hochreflektierenden, sphärischen Hohlraums sammelt und gleichmäßig verteilt. Dadurch können Detektoren die gesamte optische Leistung einer Lichtquelle unabhängig von Strahlrichtung oder räumlicher Verteilung messen.
Ulbrichtkugeln kommen in photonischen Laboren häufig zum Einsatz – zur Messung von Lasern, LEDs, optischen Sensoren und anderen Lichtquellen.
Inhaltsverzeichnis
Was ist eine Ulbrichtkugel?
Eine Ulbrichtkugel ist eine Hohlkugel mit diffus reflektierender Innenfläche. Diese kann aus einem porösen Polymer oder einer aufgerauten, hochreflektierenden Metalloberfläche bestehen. Tritt Licht durch eine Eingangsöffnung in die Kugel ein, wird es mehrfach an den Innenwänden reflektiert. Diese Mehrfachreflexionen erzeugen eine gleichmäßige Lichtverteilung im Inneren der Kugel. Ein in die Kugelwand eingelassener Detektor misst die mittlere Lichtintensität im Kugelinneren, die proportional zur gesamten in den Hohlraum eintretenden optischen Leistung ist. Dieser Aufbau ermöglicht die präzise Messung von Quellen mit komplexen Abstrahlcharakteristiken.
Funktionsweise von Ulbrichtkugeln
Die Innenfläche einer Ulbrichtkugel besteht aus einem Material, das Licht diffus statt spiegelnd reflektiert.
Trifft Licht auf diese Oberfläche:
- wird es in viele Richtungen gestreut
- verteilt sich die Intensität gleichmäßig
- geht die Richtungsinformation verloren
- geht die Polarisationsinformation verloren
Nach zahlreichen Reflexionen wird das Licht im Inneren der Kugel nahezu homogen verteilt. Diese gleichmäßige Verteilung ermöglicht eine präzise Messung der gesamten optischen Leistung.
Komponenten einer Ulbrichtkugel
Eine typische Ulbrichtkugel besteht aus mehreren Komponenten.
Kugelkörper
Der sphärische Hohlraum besteht üblicherweise aus Aluminium oder Kupfer mit einer hochreflektierenden, diffusen Beschichtung, oder aus einem porösen, hochreflektierenden Polymermaterial.
Eingangsöffnung
Das Licht der Quelle tritt durch eine Eingangsöffnung in die Kugel ein. Die Größe dieser Öffnung muss so gewählt werden, dass der gesamte Lichtstrahl eintreten kann. Sie sollte jedoch nicht zu groß sein, da dies die Messgenauigkeit und die Effizienz der Kugel beeinträchtigt.
Detektoröffnung
Eine Photodiode oder ein anderer optischer Detektor wird an einer separaten Öffnung in der Kugelwand angebracht, um die interne Lichtintensität zu messen.
Blenden (Baffles)
Blenden sind kleine Trennwände im Inneren der Kugel, die verhindern, dass direktes Licht den Detektor erreicht. Sie stellen sicher, dass der Detektor nur diffus reflektiertes Licht nach mehreren internen Reflexionen erfasst.
Vorteile von Ulbrichtkugeln
Ulbrichtkugeln bieten mehrere wesentliche Vorteile für die optische Messtechnik.
Richtungsunabhängigkeit
Direkte Photodioden-Sensoren besitzen ein Schutzfenster, das als schwaches Etalon wirkt. Zudem ist die Reflektivität der Photodiodenoberfläche aufgrund ihres hohen Brechungsindex winkelabhängig. Die Lichtmenge, die den aktiven Bereich der Photodiode erreicht, hängt daher vom Einfallswinkel ab. Dieser Effekt kann mehrere Prozent betragen.
Bei einer Ulbrichtkugel ist das Messergebnis unabhängig von der Richtung des einfallenden Lichtstrahls, da dieser innerhalb der Kugel zufällig gestreut und homogenisiert wird.
Reduzierte Justageempfindlichkeit
Auch hier führt der Etalon-Effekt des Schutzfensters eines direkten Photodioden-Sensors zu einer lateralen Justageempfindlichkeit.
Bei Verwendung einer Ulbrichtkugel haben kleine Änderungen in Strahlposition oder -ausrichtung nur vernachlässigbaren Einfluss auf die Messgenauigkeit.
Polarisationsunabhängigkeit
Direkte Photodioden-Sensoren können eine gewisse Polarisationsabhängigkeit aufweisen.
Die zahlreichen diffusen Reflexionen innerhalb der Ulbrichtkugel erzeugen einen zufälligen Polarisationszustand und eliminieren damit diesen Einflussfaktor auf das Messergebnis.
Präzise Gesamtleistungsmessung
Die Kugel erfasst nahezu das gesamte von der Quelle abgestrahlte Licht. Dies ist bei einem direkten Photodioden-Sensor nicht zwangsläufig der Fall.
Leistungsabschwächung
Direkte Photodioden-Detektoren können nur bis zu wenigen Milliwatt Leistung messen, bevor sie in Sättigung gehen.
Ulbrichtkugeln schwächen die optische Leistung ab, indem sie das erfasste Licht über eine Fläche verteilen, die deutlich größer ist als die Fläche der Photodiode. Darüber hinaus können optische Fasern eingesetzt werden, um eine noch geringere Lichtmenge zu einem externen Detektor zu koppeln. Auf diese Weise lassen sich Leistungspegel von Watt bis Kilowatt messen.
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Anwendungen von Ulbrichtkugeln
Ulbrichtkugeln finden in zahlreichen Bereichen der Photonik und optischen Messtechnik Anwendung.
LED-Messung
LEDs strahlen Licht über einen weiten Winkelbereich ab. Ulbrichtkugeln erfassen das gesamte Abstrahlmuster und ermöglichen so eine präzise Messung der Gesamtleistung.
Charakterisierung von Laserdioden
Laserdioden ohne Kollimationsoptik erzeugen divergente Strahlen. Ulbrichtkugeln stellen sicher, dass die gesamte optische Ausgangsleistung erfasst wird. Zudem ermöglicht die Abschwächung durch die Ulbrichtkugel die Messung von Hochleistungslaserdioden bis in den kW-Bereich.
Spektroskopie
Ulbrichtkugeln werden zur Messung der diffusen Reflexion und der Streueigenschaften von Materialien eingesetzt.
Optische Kalibrierung
Kalibrierlabore nutzen Ulbrichtkugeln, um homogene Lichtfelder für die Kalibrierung von Kamerachips oder Detektoren zu erzeugen.
Ulbrichtkugeln in der optischen Leistungsmessung
In Kombination mit optischen Leistungsmessgeräten ermöglichen Ulbrichtkugeln eine präzise Messung der gesamten abgestrahlten optischen Leistung.
Dies ist besonders wichtig bei Quellen, bei denen eine direkte Messung mit einem kleinen Detektor nur einen Teil des abgestrahlten Lichts erfassen würde.
Die Kombination von Ulbrichtkugeln mit kalibrierten Detektoren liefert äußerst zuverlässige Messergebnisse.
Mehrere konstruktive Faktoren beeinflussen die Leistungsfähigkeit einer Ulbrichtkugel.
Reflektivität
Eine höhere Reflektivität verbessert Messempfindlichkeit und Gleichmäßigkeit der Lichtverteilung.
Kugelgröße
Größere Kugeln bieten eine bessere räumliche Mittelung, können jedoch die optische Effizienz verringern.
Öffnungsgröße
Große Öffnungen lassen mehr Licht eintreten, verringern jedoch die Anzahl der internen Reflexionen.
Ein ausgewogenes Verhältnis dieser Faktoren ist entscheidend für eine optimale Messleistung.
Ulbrichtkugel-Lösungen von Artifex Engineering
Artifex Engineering entwickelt Ulbrichtkugeln, die für hochpräzise photonische Messungen optimiert sind.
Diese Systeme sind ausgelegt für:
- hohe Reflektivität und gleichmäßige Lichtverteilung
- Kompatibilität mit optischen Detektoren
- stabile Messleistung
Sie kommen in Forschungslaboren und industriellen Umgebungen zur präzisen optischen Leistungsmessung zum Einsatz. Artifex Engineering bietet kompakte Kugeln mit einem Innendurchmesser ab nur 10 mm für Niedrigleistungsmessungen bis hin zu goldbeschichteten Metallkugeln mit 200 mm Innendurchmesser und interner Wasserkühlung für Hochleistungsmessungen.
Der Anwendungsbereich umfasst:
- 250 – 2490nm
- 100nW – 12kW
Fazit
Ulbrichtkugeln sind unverzichtbare Werkzeuge der modernen photonischen Messtechnik. Durch die Umverteilung des Lichts innerhalb eines reflektierenden, sphärischen Hohlraums ermöglichen sie Detektoren die Messung der gesamten optischen Leistung von Quellen mit komplexen Abstrahlcharakteristiken.
Ihre Fähigkeit, Justageempfindlichkeit zu eliminieren und nahezu das gesamte abgestrahlte Licht zu erfassen, macht sie unverzichtbar für Anwendungen wie die Charakterisierung von LEDs, das Testen von Laserdioden und die optische Kalibrierung.
Mit der fortschreitenden Entwicklung photonischer Technologien bleiben Ulbrichtkugeln ein Schlüsselelement präziser optischer Messsysteme.
About the Author:
Dipl. Ing. Berndhard Neumann
CTO & Master of Science (M.Sc.)
Bernhard Neumann ist CTO von Artifex Engineering und hat einen Abschluss in Angewandter Lasertechnik (Dipl. Ing.). Mit 20 Jahren im Unternehmen entwickelt er die Messinstrumente, die die Arbeit von Artifex prägen – von Software und Hardware bis hin zu Design und Programmierung. Im Laufe der Jahre hat er zahlreiche Anwendungen sowie die Herausforderungen der Arbeit in der Photonik bis ins kleinste Detail kennengelernt.
