Herausforderungen bei der Messung weiter und divergenter Strahlen

Author: 
Yoni Groisman, Karol Sanilevitch, Roei Yiftah, Dr. Simon Rankel

VCSELs, LEDs, Edge Emitting und Faserlaser werden im Rahmen zahlreicher kritischer Anwendungen eingesetzt, bei denen es maßgeblich auf deren hohe Qualität ankommt. Um diese zu gewährleisten, empfiehlt sich die Analyse des Strahlprofils. Allerdings stellt genau das bei weiten, divergenten Strahlen sehr spezifische Anforderungen an die Messtechnik. Einerseits sind die Aperturen klassischer Strahlprofilmessgeräte zu klein, um bei großen oder divergenten Lichtquellen den gesamten Strahl zu erfassen. Andererseits lassen sich divergente Strahlen mit herkömmlichen Sensoren nicht messen, da der Quantenwirkungsgrad des Sensors sehr stark vom Einfallswinkel der Strahlen abhängt. Diesen Herausforderungen hat sich Ophir gestellt und den Ophir Wide Beam Imager – WB-I entwickelt. Das kalibrierte optische Accessoire für Strahlprofilkameras basiert auf einen Diffusor mit einer 45 mm Apertur und einer CCTV-Linse, die für Fernfeldmessungen entwickelt wurde.

Measuring Challenges of Wide and Divergent Beams
Abb. 1. Ophir Wide Beam-Imager (WB-I)

Applikationen und Einschränkungen
Es gibt verschiedene Arten weiter und divergenter Lichtquellen wie LEDs oder faseroptische Leuchtquellen, die mit dem WB-I gemessen werden können. Die zentrale Anwendung des Systems ist aber die Fernfeld-Messung von VCSELs. Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSELs) sind eine spezielle Form der Halbleiter-Laserdiode. Im Gegensatz zu kantenemittierenden Laserdioden, strahlen VCSEL das Licht nach oben ab und können damit einfach auf ein Emitter-Array mit hunderten von Emittern auf einem einzigen Chip gepackt werden.

VCSEL mit geringer Leistung werden für die Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung, 3D-Sensorik (wie Bewegungs- oder Gesichtserkennung) oder Annäherungssensoren genutzt. VCSEL mit hohen Leistungen kommen hingegen bei LiDAR oder anderen Remote Sensing Anwendungen zum Einsatz. Viele dieser Anwendungen erfordern einen autarken Batteriebetrieb, so dass der Energieverbrauch minimiert werden sol. Um die korrekte Funktion eines VCSEL Systems zu gewährleisten, ist es entscheidend, die VCSEL-Leistung, das Strahlprofil und das Rauschen zu messen und zu analysieren. Während es viele Messmethoden gibt, um die Strahlungsleistung der VCSEL zu erfassen, erfordert es umständliche Messaufbauten, um das Profil des Ausgangsstrahls zu messen. Für Fertigungsumgebungen oder "in situ" Tests sind diese Messungen völlig ungeeignet.

Bei der zweiten Herausforderungen geht es um den Einfallswinkel: Die Quanteneffizienz eines Standard-Sensors (beispielsweise einer Silizium-basierenden Photodiode oder eines CCD-Sensors) hängt sehr stark vom Einfallswinkel der Strahlung ab – zum Teil um 10% für jede Abweichung um 15 Grad. Divergente Strahlen lassen sich deshalb nicht präzise messen. WB-I fängt den Strahl ein und bildet die Leistungsverteilung auf der Kamera mit einer Genauigkeit von mehr als 5% ab. Schauen wir uns an, wie diese Präzision erzielt wird.

Abbilden des weiten Strahls
Das WB-I System erfasst den weiten Strahl mit einem Diffusorschirm und bildet ihn erneut ab, um damit eine vollständige und präzise Intensitätsverteilung des Lichts zu erhalten. Das kompakte optische System wurde speziell für die kamerabasierten Strahlprofilanalyse-Geräte von Ophir entwickelt, die in Kombination mit der Ophir BeamGage Messsoftware arbeiten. WB-I ist unempfindlich, kompakt und geschützt vor Staub - und somit ein Zubehörteil, dass sowohl in Produktionsumgebungen als auch für den Service beim Kunden vor Ort genutzt werden kann. Die 45 mm breite Apertur und mögliche Einfallswinkel von bis zu 140 Grad erlauben es, Strahlen jeder Form (rund, linienförmig oder eckig) mit einem definierten Skalierungsfaktor abzubilden (Abb.2), die ansonsten für den gegebenen Kamerasensor zu divergent wären. Die Messung selbst erfolgt sofort und erfordert nur geringfügige Anpassungen an unterschiedliche Lichtintensitäten. Die Entfernung zwischen der gemessenen Lichtquelle und dem WB-I Diffusorschirm variiert abhängig von der Messung und der Anwendung von einigen mm bis zu einigen Dutzend mm.

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Abb. 2. Schematischer Aufbau bei der Nutzung eines Ophir WB-I mit einer SP920s Kamera

Komponenenten des WB-I (Abb. 2):

  • Opake Diffusoroberfläche (1) mit 45mm CA)
  • CCTV Imager Linse (2)
  • Kamera (3), z.B. Ophir SP920s mit BeamGage Software (Separat erhältlich))
  • Zwei ND Filter (4)

Wenden wir uns nun der Anwendung des WB-I zu.

 

VCSEL Beam Profiling
Wie schon diskutiert, hängt die Energieverteilung eines VCSEL direkt von Parametern wie Stromfluss, Pulsbreite und Wiederholrate, Temperatur und Lebensdauer des Geräts ab. Deshalb ist es entscheidend, die Winkelverteilung von VCSELs in unterschiedlichen Stufen des Herstellungsprozesses ebenso wie in Forschung und Entwicklung und im Feldservice zu messen. Das WB-I System ermöglicht die flexible Messung der divergenten Strahlen und liefert wertvolle Einblicke in unterschiedliche Szenarien:

VCSEL Verhalten beim LIV Sweep Test
Wird nur ein sehr kleiner Strom angelegt, befinden sich VCSELs im sogenannten "LED Mode". Steigt der Strom an, wechselt das Strahlprofil sehr schnell in den "Laser Mode." Es ist sehr wichtig, während des Prozesses die genauen elektro-optischen Werte zu messen. Die sogenannten "Light-current-voltage (LIV) sweep test" dienen dazu, die Laserdiode während des Betriebs zu charakterisieren. Die Änderungen des Strahlprofils während der Testphase leifert entscheidende zusätzliche Informationen. Da das WB-I System in Kombination mit der Kamera und der BeamGage Software das Strahlprofil in Echtzeit erfasst und visualisiert, werden Änderungen bei unterschiedlichen hohem Stromfluss sofort erkennbar.

VCSEL ohne Diffusor
Abhängig von der Anwendung und der Produktionsphase, werden VCSEL mit oder ohne die entsprechende Diffusor vermessen. In beiden Fällen, lässt sich die Messung mit dem WB-I System durchführen wie die nachfolgenden beiden Beispiele eines Finisar VCSELs (Datasheet) mit und ohne Diffusor zeigen.

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Abb. 3: Eine beispielhafte VCSEL Quelle von Finisar ohne Diffusor: Das Strahlprofil ändert sich mit dem angelegten Strom.

Da sich die Änderungen des Strahlprofils als Funktion des angelegten Stroms verfolgen lassen, lassen sich auch jegliche elektronischen oder optischen Abweichungen des Produkts schnell untersuchen.

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Abb. 4. Strahlprofile des gezeigten VCSELs aus Abbildung 3

Abbildung 4 zeigt den Graphen von Strahlprofil in Abhängigkeit vom Strom. Es zeigt deutlich, dass sich das Gauß'sche Strahlprofil in ein Flattop Profil verwandelt und zu Dual Mode wird, sobald der Strom vom 0,74 A auf 0,92 A ansteigt.

VCSEL mit Diffusor
Unten sehen Sie nun das Strahlprofil eines weiteren Finisar VCSEL mit Diffusor mit einer unterschiedlichen Energieverteilung.

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Abb. 5: VCSEL mit Diffusor: Das Strahlprofil ändert sich als Funktion des angelegten Stroms.

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Abb. 6: Querschnitt des Strahlprofils eines VCSELs mit Diffusor.

Der Querschnitt des Strahlprofils eines VCSELs mit Diffusor (siehe Abb. 6) verdeutlich die Veränderung des Strahlprofils von einem Gauß'schen Profil zu einem eher eckigen Strahlprofil. Die Tophat Form sowie die Leistung steigen mit dem Stromfluss.

Messung der Strahldivergenz
Um die Strahldivergenz zu messen – was wichtig ist, um die Qualität von VCSELs, LEDs oder der Lichteinkopplung bei Fasern zu beurteilen, muss die winkelabhängige Ausleuchtung genau gemessen werden.

Der opake Diffusor, der im WB-I System verwendet wird, ermöglicht die Messung divergenter Strahlen bis zu einem Winkel von 140° AOI. Das ist deutlich mehr als andere Techniken wie Knife-Edge oder ein Leistungsmessgerät zulassen. Abbildung 7 zeigt die Unterschiede zwischen der Messung eines Photodioden Sensors im Vergleichzum einer Messung mit dem WB-I kombiniert mit einer Kamera. Es zeigt sich, dass die Photodiode bei größeren Winkeln keine zuverlässigen Messergebnisse mehr liefert.

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Abb.7: Linearität der Energieverteilung bei winkelabhängigem Licht mit dem WB-I im Vergleich zu einer Messung mit einem Photodiodensensor.

Aufgrund der einheitlichen Verteilung des Lichts bei weiten Einfallwinkeln, ermöglicht das WB-I System die Messung divergenter Strahlen mit einem Winkel von bis zu 70 Grad AOI (140 Grad Öffnungswinkel)

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Abb. 8: Strahldurchmesser als Funktion der Entfernung

Wie in Abb. 8 gezeigt, liefert eine Analyse des Strahldurchmesser als Funktion der Entfernung zwischen Quelle und WB-I zusätzliche Erkenntnisse. Im unserem Beispiel wird ein lineares Verhalten im gesamten Bereich deutlich. Damit werden präzise Messungen des Divergenzwinkels der Lichtquelle ermöglicht. Um die Divergenz zu berechnen, muss die Entfernung von der Lichtquelle und dem Diffusor des WB-I Accessoires in die BeamGage Software eingegeben werden. Basierend auf dieser Eingangsgröße und der gemessenen Strahlweite (oder einer Vorauswahl des Anwenders) berechnet der Anwender die Divergenz, die dann in mrad oder deg° (Grad) angegeben wird.

Nochmal, Unterschiede tauchen bei der Messung von VCSELs auf: Sie zeigen eine unterschiedliche Divergenz bei unterschiedlichem Strom und dem Wechsel von "LED Mode" zum "Laser Mode".

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Abb. 9: VCSEL in 60 mm Entfernung vom WB-I zeigt 472 mrad Divergenz bei einem elektrischen Strom von 0,4 A und 381 mrad bei 0.8 A.

Divergenz Messung von LEDs mit dem WB-I
Wie schon erwähnt, kann der WB-I nicht nur VCSEL, sondern auch LEDs messen. Da deren Divergenz generell sehr viel höher ist als die von VCSELs, wurden Tests mit zwei verschiedenen LED-Quellen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen die Abbildungen 10 und 11.

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Abb. 10: Eine Strahldivergenz von 1303 mrad wurde für die getesteste rote LED gemessen, die sich in ca. 8 mm Entfernung vom WB-I befindet.

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Abb. 11: Eine Strahldivergenz von 1236 mrad wurde bei der blauen LED ermittelt, die sich in 8 mm Entfernung vom WB-I befindet.

Divergenz Berechnung – Tipps und Tricks
Um gerade bei divergenten Strahlen verlässliche Messergebnisse zu erhalten,, hier noch eineige Software-bezogene Tipps:

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  • Wir empfehlen bei der Eingabe im BeamGage Computation Tab, die Strahlbreite zu berechnen mit FWHM – 50% Peak.
  • Der "Optical Scaling" Parameter sollte 8.15 sein, um zur CCTV Linse des WB-I zu passen.
  • Die Divergenz Berechnung sollte über "FF Wide angle" (Far Field) erfolgen, und die Entfernung des WB-I Diffusors zur Lichtquelle sollte eingetragen werden.
    * Bei divergenten Lichtquellen wie LEDs empfehlen wir diese nahe an dem WB-I Diffusor platziert werden. Bei einer Entfernung größer als 8 mm, könnte die Divergenz Messung fehlerhafte Werte zeigen.
    Bei weniger divergenten Quellen wie Laser oder VCSEL kann die Entfernung mehrere Dutzend mm betragen.

 

Zusätzlich noch dieser Anwendungs-Tipp:
Das WB-I Setup kann sowohl horizontal als auch vertikal erfolgen. Auf diesem Weg lassen sich sowohl die Kamera als auch der gesamte Messaufbau schnell drehen, um jeder Ausrichtung der Lichtquelle zu entsprechen.

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Fazit
Durch die Entwicklung des WB-I Systems konnte Ophir die Messung sehr divergenter Strahlen deutlich vereinfachen. VCSELs und LEDs lassen sich damit schnell und einfach im Produktionsprozess, der Entwicklung und bei der Anwendung vor Ort messen. Die Kombination des WB-I Accessoires mit einer Kamera zur Strahlprofilmessung liefert schnell zuverlässige Messungen. Die Fernfeldmessung divergenter oder weiter Quellen erfordert nicht mehr länger eine aufwendige Vorbereitung, sondern kann mit einem kalibrierten Messgerät durchgeführt werden.

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