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Untersuchungen der spektralen Transmission optischer Elemente im MIR / NIR -Spektralbereich unter Verwendung eines Quantenkaskadenlasers.

26.08.2019

Die AG 4.51 Reflexion und Transmission (https://www.ptb.de/cms/ptb/fachabteilungen/abt4/fb-45/ag-451.html) des Fachbereichs 4.5 Angewandte Radiometrie der PTB Braunschweig betreibt im Arbeitsbereich der gerichteten Reflexions- und Transmissionsmessungen eine Referenzapparatur, die einen nominellen Wellenlängenbereich von 200 nm bis maximal 20 m abdeckt. Zur Erzeugung der Messtrahlung oberhalb von ca. 3,5 m stehen breitbandige thermische Strahler sowie in relativ weiten spektralen Bereichen durchstimmbare Bleisalzdiodenlaser zur Verfügung. Letztere besitzen im Vergleich zu den thermischen Strahlungsquellen mit einigen mW eine höhere spektrale Ausgangsleistung, sind allerdings in der Handhabung sehr komplex. So müssen die Laserdioden mittels eines evakuierten Stirling-Kühlsystems bei Temperaturen von einigen 10K betrieben werden. Die Wellenlängenselektion erfolgt dann über die Variation von Diodenstrom und Arbeitstemperatur.

Eine wesentlich einfacher zu betreibende Strahlungsquelle stellen Quantenkaskadenlaser dar, die spektral hochaufgelöst in bestimmten spektralen Bereichen durchstimmbar bei Raumtemperatur betrieben werden können.

Es wird ein kürzlich beschafftes Lasersystem vorgestellt, das künftig an der Referenzapparatur bei Kalibrierungen zum Einsatz kommen soll. Dieses System kann in drei Wellenlängenbändern betrieben werden, die bei ca. 3,6 bis 3,9 µm, 4,4 bis 5,1 µm und 8,4 bis 10,7 µm liegen. Die maximal verfügbaren Ausgangsleistungen im Dauerstrichbetrieb variieren dabei bandenspezifisch im Bereich von 50 bis 200 mW, 30 bis 100 mW und 15 bis 50 mW. Die spektrale Bandbreite beträgt typisch 1,44 nm, 2,5 nm und 10 nm im Multimodebetrieb, kann im CW Single-Modebetrieb um bis zu einem Faktor 100 reduziert werden. Die Wellenlängenunsicherheit ist kleiner als 1 cm-1. Damit besitzt der bezüglich der Wellenlänge kalibrierte Laser eine im Vergleich zu den zu den typischerweise zu charakterisierenden breitbandigen Normalen (metallisch Spiegel, Neutralgraufilter) nahezu vernachlässigbare Unsicherheit.

Als Anwendungsbeispiel werden erste Messungen an FIR Wellenlängenstandards präsentiert. Diese dünnen Polystyrolfolien besitzen spezifische Absorptionsbanden, die zur Kalibrierung scannender optischer Geräte im Infrarotbereich verwendet werden können. Insbesondere aufgrund des verwendeten Kunststoffmaterials wird diesen Wellenlängenstandards jedoch üblicherweise nur eine kurze Haltbarkeitsdauer zugemessen. Dies verlangt dann entweder eine Neukalibrierung nach kurzer Zeit oder die Beschaffung eines neuen Standards. Mit Messungen der spektralen Transmission in mit dem Quantenkaskadenlaser zugänglichen Absorptionsbändern soll an verschieden alten Normalen untersucht werden, ob und in welchem Umfang mit einer Degradation der Standards zu rechnen ist.

Esslinger, Michael; 4.5, Angewandte Radiometrie, PTB-Braunschweig
Velke, Eva; 4.5, Angewandte Radiometrie, PTB-Braunschweig
Schirmacher, Alfred; 4.5, Angewandte Radiometrie, PTB-Braunschweig