Extrem tief: Signale unterhalb der Rauschebene messen

Optische Signale im Bereich von Femtowatt (10-15) bis Nanowatt (10-9) zu messen, kann eine anspruchsvolle Aufgabe sein. Häufig verlieren sich diese extrem niedrigen Signalstärken im Rauschen der Sensoren oder werden von der Hintergrundbeleuchtung überlagert. Die Rauschebene für Photodioden-Sensoren, die mit einer geringen Bandbreite von (~10 Hz) betrieben werden, liegt im Bereich von einem Picowatt (10-12). Auch eine weitere Verringerung der Bandbreite durch Filtern oder Ausmitteln wird den Rauschpegel nur geringfügig reduzieren. Um den Rauschpegel deutlich zu senken, nutzen wir einen Lock-in-Verstärker. Dieser verbessert die Rauschunterdrückung um drei Größenordnungen oder mehr, die Unterdrückung der Hintergrundsignale liegt sogar um mehrere Größenordnungen über der Rauschunterdrückung.

 

Funktionsweise eines Lock-in-Verstärkers
Lock-in-Verstärker nutzen eine Technik namens homodyne Detektion, um eine solche außergewöhnliche Leistung zu erbringen. Die homodyne Detektion stellt zwei Anforderungen:

  1. Das zu messende Signal muss moduliert sein.
  2. Es muss ein unverrauschtes Referenzsignal mit der gleichen Frequenz vorhanden sein.

Im Lock-in-Verstärker wird das zu messende Signal mit dem Referenzsignal multipliziert und dann über die Zeit integriert. Daraus resultiert eine außergewöhnlich geringe effektive Bandbreite. Signale aller Frequenzen, die sich auch nur geringfügig von der Referenzfrequenz unterscheiden, führen netto zu einem integrierten Wert von Null. Da das Rauschen des Sensors „weiß“ ist, streut seine Leistung über ein breites Spektrum und der Anteil der Rauschamplitude an der Messfrequenz ist sehr gering. Durch die Begrenzung der Messung auf eine einzige Frequenz, reduziert sich das Rauschen des Sensors drastisch. In gleicher Art und Weise unterdrückt der Lock-in-Verstärker optische Hintergrundsignale (hauptsächlich Gleichspannungs- oder Leistungsfrequenzen).

 

Der Trick dabei
Der Schlüssel zu einer hohen Leistungsfähigkeit mit einem Lock-in-Verstärker stellt die präzise Abstimmung der Modulationsfrequenz des Referenzsignals auf die Frequenz des zu messenden Signal dar. In optischen Anwendungen ist dieser Abgleich schon in der Architektur eingebaut. Zahlreiche optische Signale auf niedrigem Level, die einen Lock-in-Verstärker benötigen, sind kontinuierlich oder niederfrequent. In diesen Anwendungen wird ein optischer Pulsgeber verwendet, um das Signal zu modulieren. Ein optischer Pulsgeber ist einfach eine drehende Scheibe, die in durchlässige Fenster und Flügel unterteilt ist. Diese Scheibe wird im Strahlengang positioniert, so dass der Strahl abwechselnd durchgelassen und unterbrochen wird, wenn das Rad dreht. Der Strahldurchmesser sollte dabei kleiner sein als die Breite der Flügel/Fenster, um eine 100-prozentige Modulation zu erzielen.


Bild 1: Typischer optischer Pulsgeber
In optischen Pulsgebern lässt sich das Referenzsignal einfach durch einen optischen Sensor erzeugen, der die Rotation der Flügel und Fenster misst. Der Sensor kann an jeder Stelle der Scheibe angebracht werden, so lange er den Strahl nicht behindert. Das auf diese Art erzeugte Referenzsignal liefert eine präzise Frequenz für das zu messende optische Signal. Um Jitter und andere Störungen zu vermeiden und damit ein optimales Ergebnis zu gewährleisten, ist es wichtig, die Drehgeschwindigkeit der Scheibe exakt zu überwachen. Ein hohes Maß an Gleichförmigkeit in der Geometrie der Scheibe ist ebenfalls entscheidend. Beim Messaufbau sollte der Pulsgeber so nah als möglich an der optischen Signalquelle platziert werden, so dass die Modulation ausschließlich für das zu messende Signal und nicht für eventuell vorhandene, unerwünschte Hintergrundsignale genutzt wird.

 

 


Bild 2: Schemadarstellung der Lock-in-Messmethode

 

Sensoren für jede Anwendung
Die Sensoren der Produktfamilie RM9 von Ophir vereinen einen kompakten, sehr wirkungsvollen Lock-in-Verstärker, einen optischen Pulsgenerator und eine Auswahl an sensitiven Sensoren in einem einfach zu nutzenden System. Sehr geringe Signalpegel lassen sich damit selbst bei deutlich höherem Hintergrundrauschen messen.

 

Verfügbare Sensortypen:

  • Silizium Photodioden gewährleisten höchste Sensitivität Im UV- und sichtbarem Spektrum
  • Pyroelektrische Sensoren für breitbandige Sensitivität bis zu 12 μm
  • THz Sensoren, die eine proprietäre, absorbierende Beschichtung nutzen (ab Q1/2017)

Diese Sensorfamilie bietet zuverlässige und präzise Ergebnisse in einer Vielzahl anspruchsvoller Anwendungen wie z.B. in der Spektroskopie, der THz-Messung, bei der Analyse freier Gase, in atmosphärischen Untersuchungen oder beim Raman Scattering.

 


Bild 3: Ophir RM9-System

 

Author: Shimon Elstein, Senior Physicist