Wie sich die durchschnittliche Leistung gepulster Laser mit Photodioden messen lässt

Author: 
Efi Rotem, Mark Ivker

Hintergrund
Misst man mit einem Photodioden-Sensor wie dem Ophir PD300 oder dem IS6-D-VIS die durchschnittliche Leistung, ergibt sich die maximale Leistung oder Sättigungsleistung durch den maximalen Photostrom, den die Diode unter Einhaltung der Linearität noch erzeugen kann. Die Sättigungsleistung liegt typischerweise bei 3mW für eine reine Siliziumdiode. Fügt man eine Abschwächung in Form eines Filters hinzu oder nutzt man eine Ulbrichtkugel, steigt die Sättigungsleistung des gesamten Sensors.

Jüngste Entwicklungen bei VCSELs für Anwendungen im Remote Sensing erfordern jedoch die Messung der durchschnittlichen Leistung im gepulsten Betrieb. Bei der Messung der Durchschnittsleistung von gepulsten Lasern kann ein zusätzlicher Effekt die Linearität der Photodiode beeinflussen. Diesen Mechanismus stellen wir in diesem Artikel vor.

Was ist die Sättigung?
Sättigung ist die Abnahme der Sensitivität (Strom pro Leistungseinheit), sobald die eingespeiste Leistung eine bestimmte Grenze überschreitet.

Sättigung einer Photodiode bei Dauerstrich
Wird eine Photodiode mit einem Dauerstrichlaser bestrahlt, entsteht eine gleichmäßige Zahl von Ladungsträgern (Elektronen und Löcher). Das elektrische Feld, das im Inneren der Photodiode existiert, lässt die Elektronen und Löcher in unterschiedliche Richtungen hin zur Anode oder Kathode wandern, wodurch der auf dem Display gemessene Photostrom steigt. Ein kleiner Teil dieser Ladungsträger vereinigen sich, bevor sie die Photodiode verlassen und werden somit nicht im gemessenen Photostrom erfasst. Erreicht der Photostrom ungefähr 1mA, beginnt die Spannung über dem Display-Widerstand mit dem Potenzial zwischen den unterschiedlichen, Photo-erzeugten Ladungen zu konkurrieren. Der interne Potenzialunterschied der Photodiode reicht nicht mehr aus, um zusätzlichen Strom im Schaltkreis fließen zu lassen und die Photodiode geht in die Sättigung. Die Spezifikationen zur maximalen Leistung unserer Photodioden basieren auf diesen Überlegungen.

Sättigung einer Photodiode bei kurzen Laserpulsen
Misst man die durchschnittliche Leistung von Laserpulsen, ist das Messergebnis so lange zuverlässig, wie die photogenerierte Ladung die Photodiode tatsächlich verlässt und ihren Teil zum gemessenen Strom beiträgt, ohne dass eine Vereinigung im Gerät stattfindet. Die Entladezeit der Photodiode ist dabei relevanter als die tatsächliche Pulsbreite, die häufig kürzer ist. Sättigung entsteht, wenn die photogenerierte Ladungsdichte einen gerätespezifischen Wert erreicht und beginnt, die Wiedervereinigungsrate zu erhöhen. Die Laserpulsenergie, bei der die Sättigung auftritt, hängt im Wesentlichen von der Antwortzeit der Photodiode ab, da sie vorgibt, wie schnell die Ladungsträger die Photodiode verlassen können, bevor sie sich vereinigen. Ein anderer wesentlicher Faktor ist die Vorspannung. Eine negative Vorspannung, die an der Photodiode angelegt wird, wird das effektive Potenzial der getrennten photogenerierten Ladungen erhöhen und schneller dazu führen, dass die Ladungsträger die Photodiode verlassen. Das erhöht sowohl die Antwortzeit der Photodioden als auch die Sättingungs-Pulsenergie.

Experimentelle Ergebnisse
PD300-UV und PD300-IR wurden mit einem gepulsten VGEN Laser von Spectra Physics bei 1064nm und 532nm getestet. Die Ergebnisse werden in der folgenden Tabelle dargestellt. Für jede Pulsenergie wurden die Ergebnisse mit und ohne einen festen 50% Filter verglichen. Als Kriterium für die Sättigung wurde eine Leistungsminderung von 2% der gemessenen Leistung ohne Filter im Vergleich zu den erwarteten Ergebnissen mit Filter gewertet.

Für längere Pulse in Mikro- und Millisekundenbereich gleicht sich das Sättigungsverhalten immer mehr einem Dauerstrichlaser an, wo der Momentanwert der Leistung die Sättigung bestimmt. Bei Ultrakurzpulsen im Femtosekunden-Bereich wird die Sättigung von anderen Effekten beeinflusst.

Sättigungsenergie für andere Photodioden-Sensoren
Basierend auf der Messung der Sättigungspulsenergie von Standard-Photodioden kann die Sättigungspulsenergie aller weiterer Photodioden-Leistungsmessgeräte berechnet werden, in dem die unterschiedlichen Abschwächungen in den einzelnen Sensoren berücksichtigt wurden. So hat die IS6-D-VIS Ulbrichtkugel, die bis zu 30W misst, eine effektive Abschwächung von 10.000 im Verhältnis zu einer Photodiode, die bis zu 3mW misst. Die Sättigungs-Pulsenergie wird demnach ebenfalls um den Faktor 10.000 höher liegen. Arbeitet man mit gepulsten Lasern, ist es entscheidend sicherzustellen, dass sowohl die Durchschnittsleistung als auch die Pulsenergie die Maximalwerte nicht überschreitet.

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