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Bestimmung der Übertragungsfunktion von Photodetektoren mit Hilfe eines heterodynen Überlagerungsverfahrens mit Differenzfrequenzstabilisierung

11.12.2008

Es wird eine Methode für die Kalibrierung von Photodioden unter Bedingungen, wie sie in Ultraschallanwendungen vorkommen, vorgestellt, die mit kostengünstigen optischen und elektronischen Standardbauteilen auskommt.

Eine der wichtigsten Eigenschaften zur Beschreibung von Photodetektoren ist die frequenzabhängige Übertragungsfunktion, die definiert ist als die Spannung am Ausgang des Detektors in Abhängigkeit von der Frequenz, wenn ein konstantes oder eindeutig definiertes Lichtfeld auf den Detektor trifft. Photodetektoren in Ultraschallanwendungen werden in sehr unterschiedlichen Konfigurationen und Bedingungen eingesetzt, die während der Kalibrierung reproduziert werden müssen, damit die Übertragungsfunktion die Anwendungsbedingungen korrekt widerspiegelt. So war es sinnvoll, eine spezielle Anordnung zur Kalibrierung aufzubauen, die an die Erfordernisse der Anwendung im Ultraschall angepasst werden konnte. Da komplizierte und teure optische Geräte in einem Anwendungslabor nicht vorhanden sind, kam es darauf an, einen Aufbau zu konstruieren, der mit einfachen Elementen auskommt.
Mit Hilfe von zwei kommerziell erhältlichen DFB-Lasern wurde ein heterodynes Überlagerungsverfahren (Abb. 1) aufgebaut, dessen Frequenzauflösung und -stabilität durch eine Regelschleife unter Verwendung der Differenzfrequenz gesichert wurde. Als frequenzselektives Element wurde ein Verzögerungsdiskriminator aus elektronischen Bauelementen aufgebaut, der eine Frequenzänderung in eine entsprechende Amplitudenänderung umwandelt. Sein Ausgangssignal diente als Fehlersignal der Regelschleife, die die Emissionsfrequenz eines der Laser über den Speisestrom steuerte.
Es wurden Messungen bis zu einer Frequenz von 450 MHz ausgeführt und die Übertragungsfunktion eines Photodetektors, wie er in einem optischen Vielschichthydrophon verwendet wird, ist in Abb. 2 gezeigt. Die Unsicherheiten der Messung betrugen etwa 4% (k = 2) und könnten noch reduziert werden, wenn ein verbessertes HF-Leistungsmessverfahren angewandt wird. Die Kalibriertechnik, die ursprünglich für die Bestimmung der Übertragungsfunktion von Photodetektoren in Ultraschallanwendungen gedacht war, kann auch auf andere Anwendungsfelder der optischen Messtechnik übertragen werden.

Foto des optischen Aufbaus

Bild 1: Foto des optischen Aufbaus

Normalisierte Übertragungsfunktion eines Photodetektors wie er in einem optischen Vielschichthydrophon verwendet wird.

Bild 2: Normalisierte Übertragungsfunktion eines Photodetektors wie er in einem optischen Vielschichthydrophon verwendet wird.

Ansprechpartner:

Christian Koch, Fachbereich 1.6, ultrasonics@ptb.de