Vermessung Laserpuls

[Dani]

Hallo,
ich habe mich hier angemeldet, weil ich gerade an meinem Praktikumsbericht sitze und nicht mehr so recht weiterkomme.
Ich studiere Optoelektronik/Lasertechnik und komme jetzt ins 6. Semester. Meine theoretischen Noten sind sehr gut, während meiner Praktikumszeit hab ich jedoch gemerkt, dass das Umsetzen von Theorie auf Praxis nicht sehr einfach ist.


Es geht um folgendes: Während meiner Praktikumszeit musste ich eine schnelle optische Messeinheit mit einer Photodiode entwickeln. Mit dem Messaufbau ist es möglich die Modulation eines Lasers an einem Oszilloskop aufzuzeichnen. Bei der Messeinheit handelt es sich im Prinzip nur um eine einfache Verstärkerschaltung, an die die Photodiode angeschlossen ist. Das funktioniert soweit alles.

Dann sollte ich einen Versuch durchführen, bei der ich einen „Laserpuls“ vermessen sollte. Ziel des Versuchs war es, die Schnelligkeit meiner Schaltung zu testen.

Folgenden Veruschsaufbau habe ich verwendet:
Ein grüner Laser (Wellenlänge 532nm, Leitung ca. 3W bei 5V Modulationsspannung) wird im cw-Betrieb mit einer Spannung von 5V betrieben. Der Strahl des Lasers fällt zunächst auf einen Kollimator dann auf einen rotierenden Spiegel, der einen grünen Kreis an die Wand projiziert. Dann habe ich den Detektor so platziert, dass der Rand des Kreises auf die Photodiode gefallen ist. Am Oszi konnte ich dann diesen „Laserpuls“ sehen.
Ich beschreibe diesen Puls mal so: Die Kurve am Oszi zeigt mir ja den Verlauf der Spannung, die durch die Bestrahlung des Lasers an der Photodiode entsteht und dann von der Schaltung verstärkt wird... Zunächst bleibt die Spannung auf dem Nullniveau, nach einer gewissen Zeit steigt sie innerhalb von 5µs auf einen Wert von etwa 800mV an. Dann verharrt die Spannung etwa 2,5µs bei 800mV und sinkt dann innerhalb von etwa 10µs wieder auf das Ausgangsniveau zurück. Nach Adam Riese dauert mein Puls also ca 17,5µs.
Hier meine erste Frage: Was hat es denn mit diesem Laserpuls überhaupt auf sich? Was sagt oder zeigt er mir?
Woher kommt denn dieser Puls im cw- Betrieb überhaupt? Wenn ich den Laser mit einem Rechtecksignal moduliere, verläuft mein Signal am Oszilloskop ja ebenfalls recheckförmig.

Dann sollte ich diese Pulsdauer rechnerisch bestimmen.

Die Pulsdauer setzt sich aus drei Teilzeiten zusammen
- Zeit für ansteigende Flanke
- Zeit für "Plateau"
- Zeit für abfallende Flanke.

Mein Betreuer hat mir folgenden Rechenweg vorgelegt, welcher mir bis jetzt immer noch teilweise schleierhaft ist. Bisher habe ich nachstehendes in meinen Bericht aufgenommen. Allerdings bin ich mir bei den Formulierungen teilweise sehr unsicher, ob sie richtig sind. Daher wär ich sehr dankbar, wenn mir jemand weiterhelfen könnte!


Der an die Wand projizierte Kreis besitzt den Durchmesser D und eine Breite b.
Der Durchmesser des Kreises kann gemessen werden. Ist der Durchmesser bekannt, so kann der Umfang des Kreises berechnet werden.
U= π D

Ist die Frequenz und der Umfang bekannt, so kann die Geschwindigkeit berechnet werden, mit der der Kreis an die Wand geworfen wird. Die Frequenz des Laserstrahls kann mit dem Messgerät gemessen werden und am Oszilloskop abgelesen werden.
V=U ∙ f
Gesucht ist nun die Zeit t, in der der Laserstrahl den Kreis der Breite b mit der Geschwindigkeit V an die Wand wirft. Demzufolge gilt für t:
t=b/V

Soweit konnte ich mir das alles noch zusammen reimen, in der Hoffnung, dass ich das richtig beschrieben habe… Hier beginnt nun das große Fragezeichen.Nun müssen noch die beiden Zeiten für die ansteigende bzw. abfallende Flanke berechnet werden. Hierfür habe ich von meinem Betreuer die Untenstehende Skizze 2 bekommen. Meine Frage dazu: Stimmt die folgende Beschreibung? Trotz mehrmaligem Nachfragen bei meinem Betreuer kann ich mir den Vorgang irgendwie nicht vorstellen. Zusammengereimt hab ich mir folgendes:

Aus der Skizze geht folgender Zusammenhang hervor:
s=b - 2∙D_str
Zunächst befindet sich der Laserstrahl außerhalb des Kreises mit Durchmesser d. Der Laserstrahl wandert nach links, es befindet sich ein kleiner Teil innerhalb des Kreises, der Puls steigt an. Befindet sich der Laserstrahl komplett innerhalb des Kreises, steigt der Puls nicht mehr an, es ergibt sich in der grafischen Darstellung des Pulses ein Plateau. Dann wandert der Strahl aus dem Kreis hinaus, die abfallende Flanke entsteht. Befindet sich der Strahl wieder komplett außerhalb des Kreises, ist der Puls auf sein Ausgangsniveau zurückgekehrt.
Die Zeit für die ansteigende Flanke dauert also vom Zeitpunkt 1, an dem sich der Laserstrahl noch ganz außerhalb des Kreises befindet, bis zum Zeitpunkt 2, an dem er sich vollständig im Kreis befindet. In dieser Zeit legt er die Strecke eines Durchmessers zurück. Da für die Geschwindigkeit ebenfalls der oben errechnete Wert V gilt, kann die Zeit für eine Flanke wie folgt ausgerechnet werden:
t_1=D_str/V
Da für t2 folgendes gilt: t1 = t2, sind nun alle Größen bekannt, um die Pulsdauer rechnerisch zu bestimmen.



Habe dann alle Parameter vermessen, eingesetzt und berechnet. Habe für T eine Zeit von 7,9µs errechnet. Das Ergebnis war dann, dass das Messgerät noch zu langsam ist, als dass es den richtigen zeitlichen Verlauf am Oszilloskop anzeigt. Das hat dann auch gestimmt, durch weitere Änderungen meiner Schaltung wurde das Messgerät dann schneller.

Es wäre sehr nett, wenn sich jemand mit meinem Problem befassen würde und mir in einfachen, kurzen Sätzen sagt, was richtig und was falsch ist und meine Fragen dazu beantwortet. Vielen Dank im Vorraus!!

Skizze 2 Pulsberechnung.png

[LetzFetz]

Hallo,
interessante Sache und schade, dass sich noch keiner gemeldet hat.
Ich versuch mal mein Glück.

Ich würde sagen, mit dem gemessenen Impuls kannst du, wie du schon geschrieben hast, die (Winkel-)geschwindigkeit des Lasers bestimmen. Die Höhe des Ausschlags 0,8V könnte Rückschlüsse auf die tatsächliche Helligkeit des Lasers zulassen (?).
Der Puls wird erzeugt von deiner Photodiode, da der Laser ja dauerhaft eingeschaltet ist.
Wenn du den Laser modulierst, kannst du glück haben, dass bei der Fahrt über deine Photodiode der Laser eingeschaltet ist , oder er ist grade mal aus oder irgendetwas dazwischen (auch der wird so was wie rise- und fall time haben).

Das kleine d auf deinem Bild ist der Durchmesser der Photodiode, in dem sie messen kann und das kleine s ist die strecke, an dem das oszi das "plateau" anzeigt oder?

Mein Formelbuch gibt phi=s/r und omega=phi/t für einen Kreisbogen her. Damit lässt sich die Winkelgeschwindigkeit und somit auch die Frequenz des Kreises berechnen. Wobei s einem Kreisausschnitt entspricht und mit dem kleinem s aus deinem Bild angenähert werden kann (denke ich) und t der Gesamtzeit deiner Pulsdauer also 17,5s entspricht. Damit hättest du die Geschwindigkeit ermittelt.

Dann wäre jetzt die Frage, wie lang sind rise und fall time tatsächlich um deine Schaltung zu beurteilen. Oder sehe ich das falsch?

s=b - 2∙D_str

Aus der Formel werde ich nicht schlau. Für mich ist laut deinem Bild s=d-D_str

Später hast du dann für t1=t2=2,7us ausgerechnet und festgestellt dass dein Messgerät zu langsam ist und es schneller gemacht?

Hab ich das soweit verstanden?
Grüße
Dominik

[VDX]

... ich denke, mit b hat er die Gesamtbreite des Impulses (d+2*Dstr/2) gemeint, aber nicht in die Zeichnung eingetragen

Viktor