Messung von Laserleistung und -energie mit pyroelektrischen IR-Detektoren
Pyroelektrische Detektoren werden seit vielen Jahren zur Messung der Leistung und Energie von CW- und gepulsten Lasern eingesetzt. In diesem Beitrag werden die Technik der Anwendung dieser Geräte für diese Anwendungen und die Feinheiten erläutert, die diese Geräte ideal für viele Leistungs- und Energieanwendungen machen.
Funktionsprinzip
Pyroelektrische Detektoren unterscheiden sich von anderen thermischen Detektoren dadurch, dass sie keine Gleichstrom- (DC-) oder Dauerstrich- (CW-) Antwort zeigen. Um ein Ausgangssignal zu erzeugen, muss eine optisch (IR-)induzierte Temperaturänderung auftreten. Dies wird klassischerweise durch das Pulsieren oder Choppen der Eingangsenergie erreicht. Die minimale Chopping- oder Pulsfrequenz wird durch die thermische Zeitkonstante des Bauteils bestimmt, die ein Maß für die Wärmeabfuhrgeschwindigkeit darstellt. Diese liegt typischerweise in der Größenordnung von 10 bis 300 ms und kann spezifiziert werden. Ist der Detektor für Anwendungen mit sehr hoher Leistung ausgelegt, muss die durch die absorbierte Leistung erzeugte Wärme abgeführt werden. In diesem Fall wird die Zeitkonstante durch die Kühlung des Elements erheblich reduziert.
Diese IR-Detektoren sind im Wesentlichen Ladungsgeneratoren, bei denen die erzeugte Ladung eine Funktion ihrer Temperaturänderung ist. Die Ladung wird jedoch aufgrund der Thermalisierung des Elements (Rückkehr zur Umgebungstemperatur), die durch die Wärmeabgabe (Zeitkonstante) verursacht wird, schnell abgebaut. Die durch die Temperaturänderung pro Zeiteinheit erzeugte Ladung (C/s) führt zu einem Strom, der eine Funktion der vom Element absorbierten Leistung ist. Somit erzeugt das Bauelement eine Stromantwort, anhand derer es spezifiziert wird (A/W). Aus diesem Grund werden pyroelektrische Detektoren elektrisch üblicherweise als Stromquellen modelliert, die parallel zu ihren Eigenkapazitäten geschaltet sind.
Als Kapazitäten sind sie hochohmige Bauelemente und wirken daher als Integratoren der Spannung, die durch ihren thermisch induzierten Strom erzeugt wird.
Die als Funktion der Zeit erzeugte Spannung ist also
Um einen Impuls aufzulösen und seine Leistung (Watt) zu messen, muss die elektrische Zeitkonstante des Detektors verringert werden, was durch die Hinzufügung eines Shunt-Widerstands (Rl) erreicht wird, dessen Wert eine Funktion der Impulsfrequenz ist.
Im Allgemeinen sollte die elektrische Zeitkonstante mindestens ein Zehntel der Pulsbreite betragen.
Daraus ergibt sich eine Ausgangsspannung von:
Wobei Zeff die Gesamtimpedanz des Detektors und Pd die optische Eingangsleistung ist.
Beachten Sie, dass die Eingangsimpedanz des Messgeräts sowie die Kapazität der verwendeten Verkabelung als Teil der effektiven Gesamtimpedanz Zeff berücksichtigt werden müssen. Häufig wird ein Transimpedanzverstärker eingesetzt, um den Detektor besser an das Messgerät anzukoppeln.
In der Praxis sind die zur Auflösung des Pulses erforderlichen Impedanzen so gering, dass die erzeugte Spannung sehr klein ist und sich dem Signal-Rausch-Limit der Messeinrichtung annähern kann. In diesem Fall wird die gesamte Pulsenergie in Volt pro Joule (V/J) gemessen:
Der Ausgangspuls weist die links dargestellte Form auf.
Die Pulsamplitude ist proportional zur im detektierten Wärmepuls enthaltenen Gesamtenergie.
Die mittlere Leistung (Watt) des Pulses kann aus der Empfindlichkeit in Volt pro Joule (V/J) und der Pulsbreite berechnet werden.
Ein Nachteil dieser und anderer Detektoren bei der Messung von Laserpulsen besteht darin, dass die kurzen, energiereichen Pulse Schäden verursachen können. Während die mittlere Leistung gering sein kann, ist die Spitzenleistung häufig ausreichend hoch, um das Detektorelement zu beschädigen. Für solche Anwendungen werden oft sehr kostengünstige Bauelemente aus deutlich preiswerteren Materialien eingesetzt. Diese gelten als ablative Detektoren, da ihre Ersatzkosten sehr niedrig sind.
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