Gekonnt kombiniert: Strahlprofil-Diagnose bei GHz Anwendungen

Messungen in der Nuklearen Magnetresonanz-Spektroskopie

 

Laser mit exotischen Wellenlängen und außergewöhnlichen niedrigen Durchschnittsleistungen stellen Standard-Messgeräte vor große Herausforderungen. In der Regel reicht es nicht aus, nur eine Messtechnik für sich einzusetzen. Zwar bietet jede Technologie Vorteile, sie bringt aber auch Einschränkungen mit sich. Erst die Kombination unterschiedlicher Messprinzipien gewährleistet es, durch mehrfache Validierung vertrauenswürdige Ergebnisse zu erhalten.

 

In der Nuklearen Magnetresonanz-Spektroskopie (NMRS) ist es schwierig, die Größe, Form und Leistungsintensität bei einer bestimmten Leistungsabgabe der Laserstrahlquelle zu bestimmen. Die Messungen müssen nicht nur am Ausgang der Laserquelle getätigt werden, sondern auch an unterschiedlichen Stellen entlang des optischen Wegs, bevor der Strahl in einen kryo-gekühlten Magneten eindringt. In der NMRS wird der Laserstrahl mit einem Mikrowellen-Synthesizer bei ungefähr 12,5 GHz erzeugt. Der Synthesizer wird gefolgt von einem Verstärker und einer Reihe von Frequenzvervielfachern. Die Strahlung wird damit in 198 GHz gewandelt, die Leistung an der Quelle beträgt 50 bis 60 mW. Das Signal wird typischerweise im Dauerstrich-Modus betrieben und kann zwischen 195 und 201 GHz justiert werden.

 

Der optische Weg der Quelle vor dem Eintritt in den Kryo-Magneten ist sehr kompliziert, und man muss mit Signalverlusten rechnen. Es ist entscheidend, diese Verluste zu kennen, zu wissen, wo sie auftreten und welche Leistung am entscheidenden Element des Prozesses – dem Kryo-Magneten – ankommt. Ohne diese Informationen werden die Ergebnisse immer von anfechtbarer Genauigkeit bleiben.

 

Zu den Bestandteilen des optischen Wegs zählen ein Verstärker, ein Frequenzvervielfacher, zusätzliche Spiegel und Linsen inklusive einem Faraday-Rotator für die Polarität, zusätzlichen Polarisatoren sowie eine vollständig reflektierende Oberfläche in den Kryo-Magneten. Bei dieser Anwendung tauchte die Frage nach der Messgenauigkeit entlang des optischen Wegs schon am ersten Messpunkt auf, direkt nach dem Frequenzverstärker.

 


Abb. 1: Aufbau eines NMRS

 

Nach der erneuten Berechnung der Ausgangsleistung in Watt, zeigte der Leistungsgenerator eine durchschnittliche Leistung von 60 mW an. Die Messung mit einem thermischen Sensor von Ophir 3A-P-THz ergab einen Wert von nur 51,9mW.

 


Abb. 2: Position des 3A-P-THz Sensors

 

Volumenabsorber
Bei der Messung eines Lasers mit kurzen Pulsen im Zehntel-Mikrosekundenbereich oder geringer, geschieht der Hitzeeintrag in kurzer Zeit und kann nicht während des Pulses abfließen (siehe Illustration A). Aus diesem Grund eignet sich ein Oberflächenabsorber, der die Energie in einer dünnen Schicht abführt, an dieser Stelle nicht. Die Energie würde die dünne Schicht quasi auflösen. In diesem Fall nutzt man Volumenabsorber. Sie bestehen klassischerweise aus Neutraldichtefiltern, die thermisch in ein wärmeleitendes metallisches Substrat eingebunden sind. Der Neutraldichtefilter absorbiert das Licht bis zu einer Tiefe von 1-3 mm anstelle von nur Bruchteilen eines Mikrometers. In Konsequenz werden selbst bei kurzen Pulsen ohne Wärmefluss, Licht und Wärme in entsprechender Materialtiefe aufgenommen und ein Leistungs- oder Energiemessgerät mit Volumenabsorber kann deutlich höheren Energiedichten standhalten – bis zu 10 Joules/cm2 (siehe Illustration C).

 


Abb. 3: Funktionsweise eines Oberflächenabsorbers im Vergleich zu einem Volumenabsorber

 

Vergleichsmessung
Eine zweite Leistungsmessung wurde anschließend aufgebaut, um die gesamte Ausgangsleistung nach der Beeinflussung durch sämtliche optischen Elemente im Pfad und kurz vor dem Eintritt in den Kryo-Magneten zu messen.

 


Abb. 4: Positionierung des Leistungssensors am Ende des optischen Wegs

 

Diese Messung ergab nur 17,28 mW, ein Abfall um 66 % im Vergleich zur ersten Messlokation. Es stellte sich also die Frage, ob dieser Leistungsabfall tatsächlich der Realität entsprach und auf welchem Weg man den Wert überprüfen könnte. Man wählte dazu eine Pyrocam IV, eine Strahlprofilkamera für Wellenlängen von 1 bis 3000 Mikrometer. Die Pyrocam besteht aus einem LiTa03 pyroelektrischen Kristall, der mit Indium-Verbindungen auf einem Auslese-Multiplexer befestigt ist.

 

Dieser Sensor bietet das robusteste, stabilste und präziseste verfügbare IR Detector Array. Auftreffendes Licht wird von dem pyroelektrischen Kristall absorbiert und in Wärme umgewandelt. Dadurch entsteht eine Ladung auf der Oberfläche, die vom Multiplexer ausgelesen wird. Zur Nutzung kurzer Laserpulse erzeugt die Firmware der Kamera sehr kurze elektronische Verschlusszeiten, um die thermisch generierten Signale festzuhalten.

 

Die Kamera beinhaltet einen hochauflösenden A/D Wandler, der selbst tief in das Kamerarauschen noch digitalisiert. Das ermöglicht die genaue Messung und Analyse sowohl von hohen als auch niedrigen Signalen an den Ausläufen des Laserstrahls. Die hohe Auflösung ermöglicht auch das präzise Aufsummieren und Mittelwertbildung, um schwache Signale im Rauschen zu erkennen. Dies ist insbesondere bei Faseroptiken bei einer Wellenlänge von 1,3 und 1,55 Mikrometern wichtig und bei thermischen Darstellungen wichtig.

 


Abb. 5: Unterschiedliche Arrays der Pyrocams.

 

Die gleichen Messungen werden an der Eingangsquelle und am Ausgangspunkt durchgeführt, um die Qualität des Strahlprofils und die Intensität des Strahls mittels der Software durch die Nutzung linearer Intensitätszählung zu quantifizieren.

 

An der Strahlquelle erstellte die Pyrocam IV dieses Bild und kalkulierte die folgenden Intensitätswerte. Die graphische Darstellung des Strahls war deutlich geringer und bestätigte damit, dass die Intensität von der Quelle zum Ausgang tatsächlich um 48% gesunken war.

 


Abb. 6: Intensitätswerte an unterschiedlichen Stellen des optischen Wegs

 

Auswertung
Die abschließenden Messungen bei dieser Untersuchung sollten klären, warum der 3A-P-THz Sensor einen Leistungsabfall von 66% gezeigt hat, währen die Pyrocam IV nur einen Verlust von 48 % gemessen hat. Es zeigte sich, dass der 3A-P-THz, obwohl er für die Anwendung im Terahertz-Bereich konstruiert ist, nur für Wellenlängen von 0,3 THz bis 10 THz oder 300 GHz bis 1000 GHz kalibriert ist. Die Anwendung lief bei 198 GHz. Die Absorptionskurve für den 3A-P-THz sehen Sie unten.

 


Abb. 7: Absorptionskurve des 3A-P-THz

 

Fazit
Bei 300 GHz hat der Sensor eine Absorption von ungefähr 68%, während die Anwendung eine Kalibrierung bei 198 GHz erfordert, wo die Absorption nur 48% beträgt. Die Beschränkung durch die Kalibrierung erklärt weitestgehend die Unterschiede in Leistung und Intensität. Nur durch die Nutzung zwei verschiedener Technologien war die genaue und verlässliche Ermittlung und Überprüfung des Signalverlusts möglich.

 

Autor: Dick Rieley, Sales Manager, Ophir