Optische Messtechnik (Modul F3)

Transkript

1 Optische Messtechnik (Modul F3) Dr. Christian Spitz Universität Potsdam Am Neuen Palais Potsdam 1) Einführung 2) Diskrete Messaufgaben 3) Abbildung und Objekterfassung 4) Lasertriangulation 5) Interferometrie 6) Holografische Interferometrie 7) Speckle- Meßtechnik 8) Spezielle Sensoren und Techniken Leistungsprüfung durch Klausur (90 min). Zugelassene Hilfsmittel bei der Klausur: -Vorlesungsmitschrift = zusammengeheftete handschriftliche, maschinenschriftliche und fotokopierte Blätter -Elektronischer Rechner = tragbarer Rechner bis DIN A4 Standfläche (ausreichend ist ein Taschenrechner mit Grundrechenarten, Kreis- und Exponentialfunktionen) Nicht zulässig ist jede Kommunikation unter den Teilnehmern der Klausur sowie Informationsaustausch nach ausserhalb des Raumes (Handys sind auszuschalten, Kommunikationsfähigkeit des elektronischen Rechners ist zu deaktivieren). 1

2 Kapitel 1: Einführung 1.1 Ziele und Methoden 1.2 Physikalische Grundlagen Strahlenoptik Wellenoptik Licht und Materie 1.3 Lichtquellen Leuchtdioden Laser Modulation 1.4 Detektoren Thermische Detektoren Vakuumdetektoren Halbleiterdetektoren Bandbreite und Dynamik Photosensitive Filme Bilddetektoren 2

3 1.1 Ziele und Methoden in der optischen Messtechnik Ziele Zählen Abfüllen Positionieren Bewegungsmeldung Distanzmessung Landvermessung Durchflussmessung Geschwindigkeitsmessung Zeitmessung Objekterfassung Sortieren, Greifen, Orientieren Qualitätskontrolle Oberflächen Rauhigkeit, Genauigkeit Methoden Konventionelles Licht / Strahlbündel Abbildung, Mikroskopie, Projektion Laserlicht / Einzelstrahl Laufzeit, Phase, Interferometrie, Holographie, Speckle Verfahren Geometrische Optik Scannende Erfassung Spektroskopie Diagnostik Schwingungen, Verformungen Strömungen, Chemie, Biologie Medizin, Wetter, Ästhetik Hauptsächlich Ortsmessungen, am Rande: Temperatur, Chemische Eigenschaften, Konzentrationen Nicht: Elastizität, Viskosität, Biegefestigkeit, elektrische und magnetische Eigenschaften,... 3

4 1.2 Physikalische Grundlagen Strahlenoptik Geradlinige Ausbreitung, Schatten, Halbschatten, Blende, Reflexion, Abbildung durch Spiegel, Retroreflektor, Brechung, Brechungsindex, Fresnellsche Formeln, Totalreflexion Wellenoptik Mathematische Formulierung, Stehende und laufende Welle, Phasengeschwindigkeit, Intensität, Phasenwinkel, Ausbreitungsrichtung, prinzipielle Winkelunsicherheit, Wellenlänge, Messzeit bestimmt die Wellenlängengenauigkeit, Polarisation, Kohärenz, Kohärenzzeit, Kohärenzlänge, (räumliche Kohärenz), Beugung, Huygensches Prinzip, Doppelspalt, Gitter, Gausstrahlen Licht und Materie Glatte und raue Oberflächen, Streukeule, (Glanzpunkte), diffuse Reflexion, Mie Streuung, (Nelbelscheinwerfer), Rayleigh Streuung, (Himmelsblau), Raman Streuung, Brillouin Streuung, optischer Doppler Effekt, Absorption, Lambert Beer Gesetz, spontane und induzierte Emission, nichtlineare Transmission, Frequenzkonversion 4

5 1.3 Lichtquellen Lichttechnik, Beleuchtung Maximale Empfindlichkeit des Auges stimmt mit Maximum der spektralen Verteilung des Sonnenlichts (555 nm) gut überein. Visueller Nutzeffekt V: Verhältnis der vom Auge bewerteten Strahlungsleistung zur Gesamtstrahlungsleistung monochromatische Strahlung von 555 nm: V = 100% Schwarzer Strahler mit Sonnentemperatur: V» 14% Farbwiedergabe: spektrale Zusammensetzung soll Sonnenlicht ähnlich sein Temperaturstrahler Glühlampen T < T Sonne spektrales Maximum zu großen λ verschoben Rotanteil höher als im Sonnenlicht Farbwiedergabe und visueller Nutzeffekt verbessern sich mit Erhöhung der Temperatur. Kohlefadenlampe: 3 lm/w Halogenlampe: 40 lm/w Gasentladungslampen: Leuchtstofflampe: 40 bis 80 lm/w; Leuchtstoff wandelt UV-Licht in sichtbares Licht um. Natriumdampflampe: 150 lm/w monochromatisch Hg-Hochdrucklampe: 60 lm/w Xenon-Höchstdrucklampe: 40 lm/w T Farbe» 7000 K BMW Autoscheinwerfer 5

6 1.3.1 Leuchtdioden Dieser lichterzeugende Übergang ist nur in direkten Halbleitern erlaubt, bei denen die Elektronen am unteren Rand des LB und am oberen Rand des VB den gleichen Impuls haben (Impulserhaltungssatz!). Direkte Halbleiter: GaAs, InP, GaN Indirekte Halbleiter: Si, Ge, SiC Daher sind Si, Ge und SiC nicht für Leuchtdioden und Halbleiterlaser geeignet. Weiß: K InGaN+phosphor Ultraviolett: nm GaN Violett: nm InGaN Blau: 430nm GaN+SiC nm InGaN Türkis: nm InGaN Grün: 525nm InGaN Gelbgrün: mn GaAsP Gelb: nm GaAsP, AlInGaP Bernstein: nm InGaAlP Orange: nm GaAsP Orangerot: nm GaAsP Rot: nm AlGaAs Infrarot: nm GaAlAsP nm GaAlAs nm InGaAs/InP QW True RGB Full Color LED 6

7 7

8 1.3.2 Laser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - Energiepumpe -Verstärkendes Medium - Resonator Verstärkung = Verluste + Auskopplung Im Betrieb: Verstärkung = Laserschwelle Besonderheiten des Lasers: 1 TerraWatt (TW) Spitzenleistung entspricht Glühbirnen (2500 Glühbirnen pro Einwohner Deutschlands) Monochromasie ( λ/λ) ~ 1: Kurze Pulse - so lang wie 1.35 µm (1/50 Haar) s = 1fs ~ kürzester Laserpuls s 32 Mio. Jahre ~ Dinosaurier auf der Erde in 1 Sekunde 7.5 mal um die Erde Festkörperlaser Gasentladungslaser : elektrische Pumpenergie Lasermoden: dv=c/4d, Transversale Moden TEM Frequenzselektion 8

9 Diodenlaser links: Monostruktur, rechts: Doppelheterostruktur; Die Bezeichnung bezieht sich darauf, daß zweimal unterschiedliche Halbleiter aneinandergrenzen a) Die Bandlücke von Ga1-xAlxAs ist größer als die von GaAs :(LQVFKOX GHU/DGXQ JVWUlJHU/DGXQ JVWUlJHU -Confinement) b) Der Brechungsindex von Ga1-xAlxAs ist kleiner als der von GaAs :/LFKWI KUXQJGXUFK7RWDOUHIOH[LRQ/LFKW -Confinement) Fast axis Kollimation und slow axis Kollimation unterschiedlich => mit Zylinderlinsen Temperatureffekt Quantum wires Gitterwirkung Pumpgeometrien fuer Diodengepumpte Festkörperlaser (s Menzel) 9

10 VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser): 10

11 1.2.3 Modulation Bei hohen Intensitäten in kurzen Pulsen werden neue Bereiche der Physik und Chemie erschlossen: Photonen pro Lichtblitz Konventioneller Blitz Laser Puls 1 photon per 1000 Å 2 innerhalb 1µs H einfache Anregung H Einfacher Schritt aufwärts im Jablonski Diagramm 1 photon per Å 2 innerhalb 100 fs H Mehrfache Anregung H Treppen-Anregung im Jablonski Diagramm 11

12 Erzeugung kurzer Pulse Gepulstes Pumpen τ oberes Laserniveau, τ unteres Laserniveau < τ pump-puls (quasistationär): Pulsverkürzung durch Laserschwelle Erreichbar 10 ns τ unteres Laserniveau > τ pump-puls : Selbstbeschränkung des Laserpulses Erreichbar 5 ns Spiking Hohe Verstärkung und geringe spontane Emission H Laserpuls zieht Inversion weit unter die Schwelle und bricht ab Viele Spikes innerhalb eines Pump Pulses Erreichbar 1 ns Synchrones Pumpen: siehe Modenkopplung Geschalteter Resonator Güteschaltung (Q-switching) gepulstes Pumpen bei schlechtem Resonator gut -schalten am Ende des Pumppulses τ inversion > τ pump-puls erreichbar 5 ns Cavity dumping cw-resonator ohne Auskopplung kurzeitiges Auskoppeln von ~50% der gespeicherten Energie erreichbar 10 ns, 4 MHz 12

13 Modenkopplung aktive Modenkopplung synchron zur Umlauffrequenz modulierte Resonatorgüte phasengekoppelte Seitenbänder passive Modenkopplung nichtlineare Resonatorgüte H geringere Verluste für einen umlaufenden Puls synchrones Pumpen Verstimmung der Resonatorlänge H Pulsverkürzung um 10 2 bis 10 3 Bei gepulsten Lasern: Herausschneiden des maximalen Pulses Ultrakurze modengekoppelte Pulse CPM: colliding pulse mode locking Zwei gegenläufige Pulse im Ringresonator haben maximalen zeitlichen Abstand im verstärkenden Medium und überlagern im nichtlinearen Verstärker. Kerr Lens Mode locking Durch nichtlinearen Brechungsindex ist die Resonatorgüte eine Funktion der Pulslänge Pulskompression Selbstphasenmodulation in nichtlinearem Medium: Rotverschiebung in steigender, Blauverschiebung in fallender Flanke Spektrale Verbreiterung Anschliessende Kompression in Gitteranordnung Solitonenlaser Selbstphasenmodulation in Kombination mit anomaler Dispersion führt zu Pulskompression Double Chirped mirrors Korrektur der Phasen- und der Gruppengeschwindigkeitsdispersion durch speziell angepasste dielektrische Spiegel 13

14 Signalmodulation Zerhackerräder Elektrische Modulation Grenzfrequenz für Modulation von Diodenlasern: RC-Schwingkreis >10GHz in der Telekommunikation, ~GHz bei Leistungsdioden 14

15 15

16 1.4 Detektoren Thermische Detektoren Thermoelement Bolometer Pyroelektrischer Detektor Geometrie Pulsbetrieb ggf Modulation für cw-betrieb Vakuumdetektoren Vakuumdiode Aüßerer Photoeffekt an Kathode τ<100 ps Kennline: Proportionalitätsbereich, Plateau Sekundärelektronenvervielfältiger, Photomultiplier Hohe Empfindlichkeit: Photonenzählen im Plateau Pulsanstieg τ<100 ps Funktion des Ortes und der Wellenlänge kurze Totzeit durch Spannungsteilerstrom Kanalelektronenvervielfältiger, Microchannelplate Hohe Empfindlichkeit Gute Zeitgenauigkeit (< 20ps) Große Totzeit (100 ns) Halbleiterdetektoren Photowiderstand Photoelement, Photodiode => Kennlinie 16

17 1.4.4 Bandbreite und Dynamik Ansteigszeit Verzögerung Jitter Pulsantwort Bandbreite Phtotodioden: Anstiegszeit τ A 2.2 R mess C Sperrschicht => hohe Sperrspannung PIN => geringere Sperrschichtkapazität => höhere Grenzfrequenz (wenige ns, Bestimmt durch die Driftzeit der Ladungsträger) Schottky-Dioden => minimale Fläche=> geringe Kapazität Anstiegszeit ~0.1ns 17

18 1.4.4 Photosensitive Filme Fotografische Schicht Intensitätsmodulierende Wiedergabe Photothermoplastischer Film Phasenmodulierende Wiedergabe 18