Strahlteiler und Photodiode

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Valerie
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Strahlteiler und Photodiode

Beitrag von Valerie » Di 22 Apr, 2014 6:55 pm

Hallo zusammen,

ich hätte eine Frage bezüglich der Verwendung eines Strahlteilers in Kombination mit einer Photodiode:

Wie verhalten sich die mit zwei Photodioden gemessenen Teilspannungen, wenn man einen Laserstrahl auf einen Strahlteiler, der ein Teilungsverhältnis von 50:50 besitzt, richtet?

Erhält man nach dem Strahlteiler dann auch ein Spannungsverhältnis von 50:50?
Angenommen die gemessene Spannung beträgt ohne Strahleiler 2 V. Hätten dann die aufgteilten Strahlen jeweils 1 V ?

Ich hoffe mir kann jemand bei diesem Problem weiterhelfen und bedanke mich schon einmal im Voraus für eure Antworten.
Viele Grüße,
Valerie

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guido
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Re: Strahlteiler und Photodiode

Beitrag von guido » Di 22 Apr, 2014 6:58 pm

Denke nicht das die Photodiode 100%ig Linear ist.
Datenblatt ??

Valerie
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Re: Strahlteiler und Photodiode

Beitrag von Valerie » Di 22 Apr, 2014 7:07 pm

Hallo Guido,

Danke erst einmal für die schnelle Rückmeldung.
Mir geht es rein darum das Prinzip zu verstehen. Daher nehmen wir an, alle Bauteile und Geräte wären ideal.
Die Frage bleibt:
Welche Spannung wird von den Photodioden registriert, wenn je einen aufgeteilten Strahl damit misst?
Misst man zweimal 2 V? Oder misst man zweimal 1 V?

Danke.
Valerie

stoppi
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Re: Strahlteiler und Photodiode

Beitrag von stoppi » Di 22 Apr, 2014 7:34 pm

Misst man zweimal 2 V? Oder misst man zweimal 1 V?
Na ja, wenn die Spannung schon ohne Strahlteiler 2V beträgt, dann wird man mit Strahlteiler wohl nicht je 2V messen. Wenn dies so wäre, würde ich mich schnell an ein Patentamt wenden :wink:

Wie Guido schon richtig geschrieben hat, ist das ganze von mehreren Faktoren abhängig. Erstens wird die Photodiode nicht ideal linear arbeiten entlang einer Geraden U = k * I (U...Spannung, k ... Proportionalitätsfaktor, I ... Intensität). Auch wird es wohl eine gewisse Mindestintensität I_start geben, bei der erstmals eine Photospannung auftritt, also in der Art U = k * (I - I_start)

Mathematisch ausgedrückt heißt dies, dass die "Gerade" U(I) ein negatives d (Ordinatenabschnitt, y = k*x + d) haben wird.

Weiters wird der Strahl an den Grenzflächen des Strahlteilers zurück- bzw. mehrfach-reflektiert. Deshalb kommen auch nie 50% und 50% raus sondern vielleicht 48% und 48% (nagelt mich aber jetzt nicht an den genauen Prozenten fest :mrgreen: ).

Wenn man aber all dies wegidealisiert, also ideale Linearität mit d = 0, keine Reflexionen, Absorptionskoeffizient des Strahlteilermaterials auch 0 usw., dann erhält man nach Adam Riese wohl die halbe Intensität an beiden Ausgängen und daher je 1V, also zweimal 1 V.
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Speedwing
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Re: Strahlteiler und Photodiode

Beitrag von Speedwing » Di 22 Apr, 2014 8:33 pm

Es sei denn du hast den max Wert der Fotodiode mit der Belichtung des Lasers schon um den Facktor 2 überschritten. Wenn du dann den laser aufteilst bist du noch immer beim max Wert der Diode. Es könnte also sein das du dann immer noch 2V pro Diode hast.
Wenn ich mit irre bitte korigiert mich. :D

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Re: Strahlteiler und Photodiode

Beitrag von undineSpektrum » Di 22 Apr, 2014 10:05 pm

Hallo Valerie,

erstmal Herzlich Willkommen hier und vielen Dank für Deine Frage. :)

Grundsätzlich gilt bei idealen Verhältnissen : Die Spannungen, die Du beobachtest sind gleich, wenn jede der beiden Fotodioden von derselben Strahlungsleistung beleuchtet wird.
Das ist ja bei einer 50%-50%-Strahlteilung der Fall. Und wie Guido richtig schrieb : die Kennlinie von Fotodioden und Fototransistoren ist nichtlinear ( es ist in der Regel eine Exponentialfunktion / Sättigungen mal ausser acht gelassen ), aber das ändert nichts am Ergebnis Deiner Frage. :)
Denn der durch den Abschlusswiderstand ode Messwiderstand fließende Fotostrom ist ja der optischen Strahlungsleistung über der gesamten "aktiven Fläche" des p-n-Übergänges proportional.
Die Größe der Fläche geht im allgemeinen in die "Geräte- oder Kalibrierkonstante" ein... ein Datenblatt oder die Bezeichung der Fotodiode oder Solarzelle ( sie ist nichts weiter eine Fotodiode mit großer Fläche ) und die Beschreibung der Schaltung wären hilfreich - sind aber nicht unbedingt nötig.

Abweichungen von den idealen Verhältnissen entstehen wenn : Die Meßschaltungen und / oder Abschlusswiderstände verschieden groß sind, Fremdlicht in der Apparatur vorhanden ist (z.B. Tageslicht ) oder fertigungsbedingt Abweichungen bei dieser Dioden oder diesem Transistor auftreten. Das verrät Dir aber auch das Datenblatt. :wink:

Aufgrund der nichtlinearen Kennlinie wird die Messung erst interessant wenn die Intensitäten nicht mehr gleich sind, aber auch da kann man(n) / Frau sich behelfen indem der Arbeitspunkt der Diode bei Messung des Fotostromes in Durchlassrichtung mit Hilfe eines Offsetpegels verschoben wird oder mit Hilfe des Offsets ein günstige Stelle auf der Kennlinie gesucht wird, wo die Änderungen des Stromes in "Vorwärtsrichtung" in guter Näherung proportional den einfallenden Intensitäten / Strahlungsleistungen ist.

Gerne poste ich auch hier mal eine Kennlinie einer solchen Fotodiode auf dem Oszilloskop, wo Du den Einfluss einfallenden Lichtes deutllich erkennen kannst ( -> Verschiebung der Kennlinie nach "unten" ) und dass gleiche Lichtintensitäten auf gleiche Spannungswerte am Meßwiderstand der Diode führen.

Was willst Du denn damit genau messen bzw. nachweisen ... ?

Gütiger Himmel, meine Rechtschreibung .... :oops:

Grüße,

Undine

Valerie
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Re: Strahlteiler und Photodiode

Beitrag von Valerie » Mi 23 Apr, 2014 7:03 pm

Hallo Undine,

auch dir ein Danke für deine Antwort.
Es geht um den theoretischen Aufbau eines Experiments.
Ich habe vorher noch nie mit Strahlteilern gearbeitet. Nun bietet es sich allerdings an.
Das Problem ist, dass die Laserleistung, welche gemessen werden soll, sehr gering gehalten werden muss.
Daher kam mir die Frage, wie sich die Spannungen der zwei gebrochenen Strahlen verhalten und mit welchem
Energieverlust zu rechnen ist, wenn man einen solchen Teiler einsetzt.

Valerie

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Re: Strahlteiler und Photodiode

Beitrag von undineSpektrum » Mi 23 Apr, 2014 10:46 pm

Hallo Valerie,

wenn - wie Du schreibst - Die Laserleistung "möglichst gering gehalten" werden soll, dann empfehle ich einen Strahlteiler / teildurchlässigen Spiegel mit einem anderen Teilungsverhältnis als 50% / 50 % zu benutzen - das gibt es tatsächlich. :)
Auchschon eine gewöhnliche Glasscheibe kann schon als Strahlteiler dienen ( -> Fresnelsche Formeln / Gesetz von Brewster ) - je nach Anspruch...
Aus dem was Du schreibst vermute ich, dass Du zur Leistungsbestimmung eines Lasers einen kleinen Teil der Laserleistung abspalten willst um diese zu messen? ( Wird bei CO2- Lasern öfters so gemacht ... )
Zudem : Die meisten Strahlenteiler haben ein wellenlängenabhängiges Teilungsverhältnis ... diese sind für einen bestimmten Laser oder ein bestimmtes Lichtspektrum optimiert. -> Aufgabe z.B. des Coating-Designs ...
Die überall käuflichen "Strahlteilerwürfel" arbeiten nach dem Prinzip der "frustrierten Totalreflexion" an einem Luftspalt in der Größenordnung der Wellenlängen des verwendeten Lichtes.

Hast Du das ( wellenlängenabhängiges Teilungsverhältnis ) bei Deiner Betrachtung ggf. auch berücksichtigt? Dies kann auch zu Abweichungen von einem angegebenen Teilungsverhältnis führen und eine Fehlerquelle darstellen... :wink:


Grüße,
Undine

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