パルスレーザー: 適切なフォトディテクターの選び方

Daniel Sebbag

現在、産業用途で使用されているレーザーの大部分はパルスレーザーです。金属の切断、溶接、被覆に使用される非常に高出力 (数kWレベル) CWレーザーを除いて、レーザーの他のすべての産業用途には短くて高エネルギーのパルスが必要です。精密電子部品の微細加工、穴あけ、スクライビング、マーキング、または修理は、短パルスレーザーによって可能になる多種多様なプロセスのほんの一例にすぎません。生物医学分野では、パルスレーザーは、レーザー手術や医療用インプラントの製造から、組織や審美性の非線形イメージングまで、ほぼすべての用途で使用されています。これらのアプリケーションに共通しているのは、正確なタイミングでターゲットにパルスエネルギーを供給する必要があるということです。パルス持続時間、パルスの形状とプロファイル、パルスのタイミングジッター、繰返し周波数などのパルスの時間的特性は、アプリケーションの成功を保証したい場合に測定および監視する必要がある重要なパラメーターです。

短パルスレーザーは、動作の時間的体制に応じて3つの異なるクラスに分類できます。通常、ナノ秒パルスはQスイッチレーザーから放出されますが、ピコ秒およびフェムト秒のパルス持続時間はモードロックレーザーの特徴です。

短パルス特性評価のニーズに対処するために、Ophirは高速フォトディテクターのFPDシリーズを導入しました。適切なオシロスコープまたはRFスペクトラムアナライザーと組み合わせると、短パルスレーザーの時間的性能を定量化できます。ナノ秒から数十ピコ秒までのパルス持続時間については、Ophirの高速フォトダイオード出力信号をオシロスコープで直接サンプリングし、時間特性を取得できます。数十ピコ秒より短いパルス持続時間の場合、高速フォトダイオードを使用してパルス列の繰返しレートと振幅ジッターを監視できます。

パルス持続時間を完全に特性評価するには、オートコリレーターを使用する必要があります。Spectra Physicsの新しいPulseScout2オートコリレーターは、35ピコ秒から20フェムト秒までの超短パルス測定に最適なソリューションです。

パルスレーザーの時間的挙動はナノ秒からフェムト秒まで数桁にわたる可能性があるため、目的の測定に適切な高速フォトダイオードを選択する際には注意が必要です。したがって、フォトダイオードの仕様を正しく理解し、アプリケーションに適したモデルを適切に選択することが重要です。

以下では、一般的に使用されるレーザーの種類に適切なフォトダイオードを選択する方法について説明します。

まず、フォトダイオードの応答性 [A/W] を考慮する必要があります。応答性は、入射放射線のワット当たりに生成される光電流 (アンペア単位) として定義されます。それは波長の関数です。したがって、フォトダイオードのスペクトル応答は、測定するレーザーの波長においてできるだけ高くなければなりません。FPDシリーズの分光感度特性は下図のとおりです。

Ophirは、320nm～1100nmのスペクトル応答を備えたシリコンフォトダイオード、193nm～1100nmの拡張応答を備えたUV強化シリコン、および900nm～1700nmの感度を備えたInGaAsフォトダイオードを備えた高速フォトダイオードモデルをいくつか提供しています。

レーザー波長に基づいて適切なタイプのフォトダイオードを選択したら、次にフォトダイオードの帯域幅と立ち上がり時間を考慮する必要があります。立ち上がり時間はデバイスの応答速度に相当します。これは、フォトディテクターの出力信号がピークレベルの10%から90%に変化するのに必要な時間として定義されます。経験則としては、測定するレーザーパルス幅の5分の1の立ち上がり時間を持つフォトダイオードを選択することです。これにより、パルス形状が歪みなく確実に測定されることが保証されます。

帯域幅は、次のように立ち上がり時間に関係します。

ここで、BWdetは帯域幅 [Hz]、Trはフォトディテクターの立ち上がり時間 [秒] です。Kはパルス形状とデバイスの周波数応答に依存する定数です。通常は0.35～0.45の間に収まります。ガウシアン形状のパルスの場合、K=0.35を採用することは一般的に非常に正確で、予想される誤差はわずか2%です。より広い帯域幅を持つフォトディテクターはより速い時間応答を持ち、より短いパルスの測定に使用できます。

もう1つの非常に重要な考慮事項は、信号の視覚化と測定に使用されるオシロスコープにフォトディテクターを適切に適合させる方法です。

FPDシリーズのフォトディテクターは、インピーダンス整合のために50Ωの終端抵抗とともに使用するように設計されています。オシロスコープのチャンネルの内部50Ωインピーダンスを選択するだけで、フォトダイオードの出力をオシロスコープの入力に適合させることができます。オシロスコープに50Ωオプションがない場合は、オシロスコープに接続するときにケーブルに50Ωの終端抵抗を使用します。

スコープの帯域幅もフォトディテクターの帯域幅と一致する必要があります。Ophir FPD-IG-25のような15GHzのフォトディテクターを備えた1GHz帯域幅のオシロスコープを使用すると、フォトディテクターが提供する高速応答時間を活用できません。接続ケーブルにも同じ考慮事項が当てはまります。50Ωインピーダンス用に設計されたBNCケーブルの標準帯域幅は4GHzです。より高速にするには、SMAケーブルを使用する必要があります。これは、SMA ケーブルの一般的な帯域幅が18GHzであるためです。経験則に従って、測定チェーン内のすべてのコンポーネントの合計立ち上がり時間は、測定されると予想されるレーザーパルス幅の5分の1である必要があります。範囲とケーブル帯域幅を考慮すると、各コンポーネントの立ち上がり時間は上記と同じ関係で計算できます。

すべてのコンポーネントの立ち上がり時間が決定されると、完全な測定チェーンの予想立ち上がり時間はRMS加算によって得られます。

ここで、測定されたTrはシステム全体の合計立ち上がり時間であり、これが測定されてオシロスコープ画面に表示されます。

ここで、どのように応用するか、いくつかの例を挙げてみます。

問題:

PCBメーカーは、セラミックおよびガラス材料のビアホール穴あけ用に、Spectra Physics Quasar産業用UVレーザー (355nm) のパルス形状とパルス持続時間を特性評価する任務を負っています。Quasar UVレーザーは、パルス幅、形状、繰返し率をプログラム可能に制御できる「TimeShift」テクノロジーを備えており、穴あけプロセスを最適化します。パルス幅は2nsから100nsまで調整できます。

解決策:

2nsの最小パルス幅から、経験則を適用して、2%未満の測定誤差を得るために、システムの合計立ち上がり時間をパルス持続時間の5分の1に指定します。したがって、355nmで0.4nsの立ち上がり時間に敏感な検出システムが必要です。Ophir FPD-VIS-300は、320～1100nmで感度があり、立ち上がり時間0.3nsのシリコンフォトディテクターで、1.2GHzの帯域幅に相当します。2GHzオシロスコープと50Ω、4GHz BNCケーブルを使用して、システムの合計応答時間を計算すると次のようになります。

これは、立ち上がり時間の0.4nsという要件よりも高速です。1GHzのスコープを選択した場合、システムの合計立ち上がり時間は0.469nsになると予想され、パルス測定に2%を超える誤差が生じることに注意してください。

問題:

自動車用LiDARメーカーは、飛行時間距離の測定に使用されるトランシーバーモジュールの精度を特徴付けようとしています。940nmダイオードレーザーは、1MHzの繰返し率で1nsのパルスを放射します。放射されたレーザーパルスのパルス持続時間とタイミングジッターを知ることは、距離測定の分解能の不確実性を評価し、同期電子機器の性能を評価するために重要です。

解決策:

1nsのパルス幅を正確に測定するには、最大0.2nsの立ち上がり時間を持つ検出システムが必要です。Ophir FPD-IG-175は、940nmで約0.6A/Wの応答性と、2GHzの帯域幅に対応する175psの立ち上がり時間を備えたInGaAsフォトダイオードです。

このフォトダイオードを6GHzオシロスコープおよび50Ω、4GHz BNCケーブルで使用する場合、システムの合計応答時間は次のように計算されます。

これは、システム立ち上がり時間0.2nsという当社の要件を満たしています。

6GHzオシロスコープは法外に高価な場合があるため、代わりの解決策として、15GHz帯域幅のOphir FPD-IG-25を、2GHzオシロスコープおよび一般的な18GHz帯域幅のSMAケーブルと組み合わせて使用することが考えられます。合計応答時間は次のようになります。

これにより、はるかに低いシステムコストで当社の要件も満たされます。このソリューションの欠点は、FPD-IG-25の940nm波長での応答性が0.5A/Wと低いことです。

時間測定の精度を確保するには、フォトディテクターの仕様をシステムレベルで適用する方法を理解することが重要です。フォトディテクターは検出システムの一部にすぎず、正確な測定が成功するかどうかは多くの要因の相互作用に依存します。アプリケーションがパルスの短縮と繰返し率の向上に向けて移行し続けるにつれて、時間的特性評価が必須になってきています。しかし、Ophirでは、今後も市場をリードするソリューションでこれらのニーズに応えていきます。