1 Zur Vorbereitung

Labor Physik und Photonik
Labor Mikroptik
Versuch 3: Fernfeld
1 Zur Vorbereitung
Die folgenden Begriffe sollten Sie kennen und erklären können: Fernfeld, Nahfeld, Photometrie,
Raumwinkel, Leucht- und Laserdioden, Multimode- und Monomode-Glasfasern, numerische
Apertur
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2 Grundlagen
2.1. Photometrische Messungen:
Die Strahlung einer Lichtquelle wird durch die Strahlungsleistung e in Watt beschrieben und ist nach
der Bewertung durch einen Sensor (z.B. Auge, Photodiode) messbar. Das Auge ist für
die
verschiedenen Wellenlängen verschieden stark empfindlich. Für das Tagessehen gilt die spektrale
Hellempfindlichkeitskurve V() des Auges (siehe Bild 1).
Bild 1: Kurve der relativen spektralen Hellempfindlichkeit für Tagessehen (Zapfen) V() und
Nachtsehen (Stäbchen) V’()
Die mit dem Auge bewertete spektrale Strahlungsleistung e (in Watt/m) führt uns zum Lichtstrom V
(in Lumen)

(Gl.1):  V  K max.
    V( )d
e
0
 = 555
dabei ist Kmax. = 683 lm/W das photometrische Strahlungsäquivalent für die Wellenlänge
nm bei der das Auge am empfindlichsten ist und e = de / d die spektrale Strahlungsleistung.
Die Bewertung durch eine Photodiode erfordert die Kenntnis ihrer relativen Empfindlichkeit srel().
2.2. Das photometrische Grundgesetz:
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Der Raumwinkel  wird durch ein Bündel von einem Punkt ausgehenden Halbgeraden gebildet, die
einen Kegel einschließen. Er wird im allgemeinen gemessen durch das Verhältnis der Fläche AK der
Kugelkalotte, die aus einer um seinen Ursprung gelegten Kugel mit dem Radius r durch die
Halbgeraden ausgeschnitten wird, zu dem Quadrat des Kugelradius
(Gl.2):  
AK
 sr 
r2
mit 0 = 1 sr als Einheitsraumwinkel
Bild 2: Zur Definition des kreiskegelförmigen Raumwinkels 
Bei großen Entfernungen im Vergleich zur Größe der Lichtquelle gilt für die Strahlungsleistung, die
der Sender mit der Senderfläche A1 dem Empfänger mit der Fläche A2 zustrahlt, dem sog.
Strahlungsfluß e
Bild 3:
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(Gl.3):  e 
(Gl.4):  e 
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 L e  A 1  cos  1  A 2  cos  2   0 
r2
I e  A 2  cos  2   0 
r2
mit Ie , der Strahlstärke, welche die Änderung des Strahlungsflusses pro Raumwinkel angibt
Ie = e /
und Le der Strahldichte, die dem Strahlungsfluß pro Raumwinkel und pro projezierter Fläche A1 des
Senders entspricht
Le = e / (  A1  cos 1)
Auf der Empfängerseite wird die Strahlung durch die Bestrahlungsstärke beschrieben.
(Gl.5): Ee = e / A2
2.3 Abstrahlungscharakteristiken von Lumineszens- und Laser-Dioden
Während die „visuelle (subjektive) Photometrie“ als Strahlungsempfänger das Auge benutzt, wird bei
der „objektiven Photometrie“ eine Photodiode verwendet.
Deshalb müssen bei der objektiven Photometrie entweder Lichtquellen gleicher spektraler
Energieverteilung miteinander verglichen werden, oder die spektrale Empfindlichkeit der Empfänger
wird durch Vorschalten von geeigneten Filtern der des Auges angepasst.
Der Kurzschlußstrom der Photodiode ist dem Lichtstrom direkt proportional.
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Für den Anwender einer Strahlungsquelle ist es wichtig, wie die Strahlung räumlich verteilt ist.
Dies wird in Polarkoordinaten durch die Abstrahlungscharakteristik bezüglich Ie ( StrahlstärkeIndikatrix Ie (,)) oder die Abstrahlungscharakteristik bezüglich Le (Strahldichteindikatrix Le(,)
festgelegt.
Bild 4:
 ist die Zenitdistanz und  der Azimutwinkel in räumlichen Polarkoordinaten.
Eine sehr einfache Abstrahlcharakteristik zeigt der Lambert-Strahler
(Gl.6): Ie (,) = Imax cos 
Bei den meisten Strahlungsquellen muß Ie (,) durch Messung ermittelt werden. Die
Abstrahlcharakteristik
hängt
von
der
Senderflächenform
und
deren
Abmessungen,
der
Oberflächenstruktur und von optischen Bauteilen vor der Senderfläche (Planplatten, Linsen, Spiegel
usw.) ab.
2.4 Aufbau von Halbleiter-Strahlungsquellen
Für die Herstellung lichterzeugender Halbleiterdioden gibt es mehrere Technologien, ebenso wie es
verschiedene Strukturen gibt.
Über Kontaktflächen wird der Injektionsstrom einer pn-Schicht zugeführt. In der aktiven Zone des pnÜbergangs löst er die Generierung von Photonen aus. Die Abstrahlcharakteristik einer LED umfaßt
den ganzen Halbraum. Die Laserdiode dagegen besitzt einen deutlich kleineren Abstrahlwinkel.
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In der Praxis weisen diese Bauteile komplexe Strukturen auf Das folgende Bild zeigt typische
Ausführungen für eine Flächenemitter-LED und für eine Laserdiode. Letzere Struktur findet ähnlich
auch bei Kantenemitter-LED Verwendung.
Bild 5:
a) Flächenemitter-LED
b) Laserdiode
An die aktive GaAs-Schicht der Dioden schließen sich 2 GaAlAs-Schichten an, die eine
Potentialbarriere für die in die GaAs-Schicht injizierten Ladungsträger bildet, da ihr Bandabstand
zwischen Valenz- und Leitungsband höher ist (W = 2 eV) als bei GaAs.
Dadurch kommt es zu einer hohen Elektronenkonzentration in der Rekombinationszone mit einer
entsprechend hohen Quantenausbeute. Ferner bewirkt der geringere Brechungsindex von GaAlAs, daß
die erzeugte Strahlung durch Totalreflexion an den Grenzschichten die aktive Schicht nicht verlassen
kann, was die Strahlungsverluste deutlich vermindert. Durch eine räumliche Begrenzung der
Kontaktelektroden kann man die strahlende Fläche auf einen definierten Bereich beschränken. Bei
einer flächenemittierenden LED erreicht man dies durch einen runden Kontakt mit ca. 50 µm
Durchmesser; bei der Laserdiode und der kantenemittierenden LED wird der Kontakt durch einen ca.
10 µm breiten Streifen gebildet, der die Breite der aktiven Zone bestimmt, „Streifengeometrie“.
2.5 Fernfeld - Formen
2.5.1 Fernfeld einer Laserdioden:
Zu einer effektiven Ankopplung einer Laserdiode an eine Faser ist eine hohe Stralhldichte nötig, also
nicht eine hohe Gesamtstrahlungsleistung, sondern eine hinreichende Strahlungsleistung pro
strahlender Fläche und Raumwinkel. Die strahlende Fläche ist bei üblichen Laserdioden ca. 4-10µm
breit und weniger als 1 µm dick.
Einen typischen Verlauf eines indexgeführten Lasers zeigt Bild 6:
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Man sieht eindeutig die kleinere Halbwertsbreite bei der Richtung senkrecht zur Schicht infolge von
Beugungseffekten. Deshalb muß jede Laserdiode einmal in senkrechter Richtung () und einmal in
paralleler Richtung () zur Schicht gemessen werden.
Eine Laserdiode hat also senkrecht und parallel zur aktiven Zone unterschiedliche Strahldichten.
2.5.2 Fernfeld einer Glasfaser:
Die Fernfeld-Lichtleistungsverteilung z.B. einer Glasfaser stellt eines der wichtigsten Kriterien zur
Beurteilung eines Lichtwellenleiters (LWL) dar. Aus der Leistungsverteilung P() (siehe Gl.1) erhält
man die numerische Apertur AN d h.der halbe Öffnungswinkel des Strahlungskegels
(Gl.1):
g

 sin   
P(  ) = P(0)  1 - 
 
 A N  

wobei gilt:
P(0) - Intensität bei 0°
 - Winkel
AN - numerische Apertur
g - Profilexponent, je nach Fasertyp
Bei einer Monomodefaser kann Gl.1 für kleine Argumente durch die ensprechende Gaußfunktion
angenähert werden
Die numerische Apertur AN läßt sich auch in erster Näherung beim Abfall der Lichtleistung auf 5%
aus der Fernfeldverteilung errechnen
(Gl.2)
AN  n  sin

2
3 Versuchsdurchführung
3.1 Meßaufbau:
Der Fernfeld-Meßaufbau ermöglicht es, sowohl 2D- als auch 3D-Messungen durchzuführen.
Er besteht aus insgesamt 2 Rotationstischen, die 90° zueinander montiert sind. Zusätzlich besteht
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die Möglichkeit über ein Meßmikroskop, die zu untersuchenden Lichtquellen genau auf die Rotationsachsen zu justieren.
Es lassen sich Fernfelder von Lichtquellen wie z.B. LED’s, Laserdioden oder Glasfasern bzw. auch
Empfangscharakteristiken von Photodioden untersuchen.
3.2 Bedienung der Software:
Die Software LABWINDOWS CVI, die hier benutzt wird, stammt aus dem Hause National Instruments und wurde mit der Programmiersprache C entwickelt. Das Softwarepaket beinhaltet einen
Katalog von Bibliotheksfunktionen, die man als Anwender bzw. Entwickler direkt aufrufen und in
das Anwenderprogramm einbinden kann.
Nach dem Starten der Fernfeldsoftware; erscheint das Cover-Panel mit dem Bediener-Menü. Nach
jedem Neustart des Programms muß zunächst ein Setup durchgeführt werden (Menüpunkt „Setup“)
; mit dem Setup-Panel werden die Geräte, die während einer Messung benutzt werden, ausgewählt.
Der Lock-In-Verstärker von EG&G und der Rotationstisch von Newport sind schon als DefaultWerte abgelegt, so daß man nur auf das Button „OK“ klicken muß, um den Setup abzuschließen.
Danach kommt man durch Klicken des Menüpunkts „ Measurement –> Farfield“ zum Hauptpanel.
Das Hauptpanel besteht aus einem Realtime-Stripchart, der während der Messung das 2D-Fernfeld
kontinuierlich Punkt für Punkt aufbaut und darstellt, und aus einer Reihe von Indikator- oder Numeric-Controls bzw. Command-Buttons.
Die Numeric Controls legen folgende Parameter fest:
„VELOCITY“ - Geschwindigkeit
„Start-PHI“
- Startwinkel für  (horizontalgelagerter Rotationstisch)
„End-PHI“
- Endwinkel für 
„Start-THETA“ - Startwinkel für  (senkrechtlgelagerter Rotationstisch)
„End-THETA“
- Endwinkel für 
„P-PHI“
- Anzahl der Punkte für 
„P-THETA“
- Anzahl der Punkte für 
Die Indicator Controls zeigen folgende Parameter an:
„Theta“
- aktueller Wert für 
„Intensity“
- aktueller Wert für die Intensität
„PHI“
- aktueller Wert für 
„Index“
- aktueller Index
Der Command-Button „SCAN“ startet die Messung mit den eingestellten Parametern, der „HOLD“Button hält die Messung an und der „EXIT“-Button bricht die Messung ab und bewegt die Motoren
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auf den Winkel 0° zurück.
Um 3D-Messungen durchzuführen, muß; um eine geschlossene Kurve im Raum zu erhalten, Theta
von –90° bis +90° variieren. Die Realtime-Darstellung bzw. der Stripchart ist 2-dimensional und
bezieht sich immer auf den aktuellen Theta-Wert.
Es ist auch möglich, eine 2D-Messung bei einem bestimmten Theta-Winkel ‘ durchzuführen, indem man den Startwinkel für Theta „Start-THETA“ auf ‘ und die Punkteanzahl für Theta
„P-THETA“ auf 0 setzt.
Die gemessenen Daten werden im Menüpunkt „Data“ näher analysiert. Es besteht die Möglichkeit,
den Graph in 6 Stufen zu zoomen („ZOOM IN“). Mit dem Button „ZOOM OUT“ können die
Zoomstufen Schritt für Schritt bzw. mit dem Button „RESTORE“ auf einmal zum Anfangszustand
zurückgeführt werden.
2 Marker in Blau bzw. Rot können auf einen beliebigen Punkt positioniert werden, um die x- bzw.
y-Koordinaten auszulesen. Außerdem ist es möglich, beliebig viele 2D-Files über den Button
„INSERT“ in verschiedenen Farben dem Graph zuzufügen.
Mit dem Menüpunkt „File“ lassen sich analog WINDOWS, 2D-Files bzw. 3D-Files laden („Load“)
oder sichern („Save“).
2D-Graphen können wahlweise mit dem Menüpunkt „Print2D“ in Polarkoordinaten oder in karthesische Koordinaten dargestellt werden.
3.3 Meßmethode zur Fernfeldmessung von Glasfasern:
Die Glasfaserenden werden an den Endflächen präpariert und auf einen Winkel von 90° zur
Faserachse gebracht, um optimale Einkoppel- bzw. Auskoppelbedingungen zu erzielen.
Die Einkopplung erfolgt innerhalb der numerischen Apertur bzw. des Akzeptanzwinkels über ein
Mikroskopobjektiv, welches das einzukoppelnde Licht auf den Kern des LWL abbildet;
Das Ende der Faser wird auf ein Rotationstisch, der über einen PC gesteuert wird, montiert und auf
den Drehpunkt mit einem Mikroskop justiert.
Der Drehpunkt des Rotationstisches geht durch die strahlende Fläche.
Der Radiometer-Meßkopf befindet sich in einiger Entfernung vom Drehpunkt des Rotationstisches, in
der Regel 10 cm und übermittelt die Intensitätsdaten an den PC, der sämtliche Daten abspeichert und
das Fernfelddiagramm, Intensität versus Winkel, am Bildschirm anzeigt bzw. auf dem Drucker
ausgibt.
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Versuchaufbau:
3.4 Lock-In-Meßtechnik:
Um auch bei Umgebungslicht kleine Signale messen zu können, wird die Lock-In-Meßtechnik
angewendet. Der Chopper markiert das Meßlicht, indem er den Meßlichtweg periodisch unterbricht
(rotierende Sektorscheibe). Dies geschieht mit einer Frequenz fR, die mit keiner Frequenz des
Umgebungslichts übereinstimmt. Der Lock-In-Verstärker filtert aus dem Detektorsignal die
phasenrichtigen Signale der Frequenz fR heraus und wertet nur diese aus. Das Rauschen und die
Signale von Fremdlicht werden somit vollständig unterdrückt. Bei richtiger Wahl der
Chopperfrequenz stört also weder das Tageslicht noch die vom Netz betriebene Beleuchtung.
3.5 Kalibriermessung mit einem Radiometer:
Die Laserdiode ML40123N-01 wird auf einem Mikrobankhalter mit Abstrahlung in horizontaler
Richtung auf den Meßaufbau und der zu kalibrierende Detektor mit einem speziellen Halter mit
Blende auf eine OWIS-Schiene montiert.
Der Funktionsgenerator wird auf Rechteckspannung gestellt und mit dem Modulationseingang des
Steuergerätes für die Laserdiode verbunden.
Der Ausgang des Detektors verbindet man mit dem Lock-In-Verstärker und dem Oszilloskop. Die
externe Triggerung erfolgt sowohl für das Oszilloskop, als auch für den Lock-In-Verstärker über den
Sychron-Ausgang des Funktionsgenerators.
Zunächst wird der Abstand r1 zwischen der Blende des Halters und der leuchtenden Fläche der
Lichtquelle eingestellt (ca. 10cm).Die Blendenfläche sei A1 .
Der Lock-In-Verstärker wird jetzt optimal eingestellt. Der Meßwert des Verstärkers soll bei maximaler
Modulationsspannung auf 10V begrenzt werden.
Die Einstellungsdaten des Lock-In werden abgespeichert. Der Empfindlichkeitsbereich darf jetzt nicht
mehr verändert werden. Die Kalibrierdaten gelten nach Ablauf der Messung nur für die eingestellte
Empfindlichkeit.
Mit Hilfe des Funktiionsgenerators werden nun 5 Intensitäten des Lasers eingestellt. Die
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Modulationsspannung kann man zwischen 200 mV und 900 mV variieren. Zur Kontrolle lassen sich
die optischen Rechteckimpulse am Oszilloskop darstellen.
Sie brauchen für Ihre Kalibriermessung für jeden Meßpunkt 2 verschiedene Daten:
1. Modulationsspannung
2. Lock-In-Ausgangsspannung
Danach wird der Detektor mit einem bereits kalibrierten Meßkopf
(Melles Griot 13PDH001)
ausgetauscht. Nun stellen Sie die 5 Modulationsspannungen wieder ein und lesen die absoluten
Lichtleistungen in µW am Radiometer im Modulationsmodus „peak-peak“ ab .
Nun wird die Bestrahlungsstärke Ee in Watt/mm2 mit der Fläche der Blende A1 errechnet und über die
relative spektrale Detektorempfindlichkeit sDet bei  = 780 nm und unter Berücksichtigung der
effektiven Flächen der beiden Detektoren, die Strahlstärke Ie in Watt/sr ermittelt.
(Gl.7): Bestrahlungsstärke Ee 
e
A1
(Gl.8): Detektorempfindlichkeit s Det 
 W 
 mm 2 
U
U

E e  A1  e
V
 W 
U - Ausgangsspannung des Lock-In-Verstärkers
A1 - Fläche der Blende, r2 - Radius Blende
r12
U
(Gl.9): Strahlstärke I e  Ee  A1   Ee  r12 
 r12
2
A1
sDet    r2
Der Kalibrierfaktor F beträgt somit F 
W 
 sr 
r12
sDet  r22  
Um den Kalibrierfaktor zu ermitteln, wird der Menüpunkt „MeasurementCalibrate“ angeklickt und
die Lock-In-Verstärker-Spannungen mit den entsprechenden Lichtleistungen am Radiometer für 5
verschiedene Intensitäten eingetragen. Das Programm errechnet aus den eingegebenen Daten bei
Klicken auf den Button „CALCULATE“ das arithmetische Mittel oder führt eine lineare Regression
durch. Bei optimaler Linearität hat das Bestimmtheitsmaß den Wert 1.
Wenn Sie das Fernfeld der Laserdiode abscannen, speichert Ihnen das Steuerprogramm die
Ausgangsspannungen des Lock-In-Verstärkers in ein Datenfeld ab. Wenn Sie den Kalibrierfaktor im
Kalibrierpanel mit dem Button „OK“ übergeben, wird das Datenfeld mit dem Kalibrierfaktor
multipliziert und sie erhalten als Ergebnis die absolute Strahlstärke in W/sr. Drücken Sie stattdessen
„IGNORE“ , so erhalten Sie die Rohdaten bzw.das Programm multipliziert das Feld mit dem Faktor 1.
6 Literatur
1. O.Strobel, Lichtwellenleiter- Übertragungs- und Sensortechnik, VDE-Verlag
2. W.Bludau, H.M.Gündner, M.Kaiser, Systemgrundlagen und Messtechnik in der opt.
Übertragungstechnik, Teubner-Verlag
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3. W.Bludau, Lichtwellenleiter in Sensorik und optischer Nachrichtentechnik, Springer-Verlag
7 Aufgaben:
1. Montieren Sie die Monomodefaser RF42387I.5 von SEL auf die Fernfeld-Apparatur, koppeln Sie
mit Hilfe eines Mikroskopobjektivs Licht einer Glühampe in die Faser ein und vermessen Sie das
Fernfeld im 2D-Verfahren, wie unter 3.1 beschrieben. Ermitteln Sie die numerische Apertur der
Glasfaser in 1. Näherung aus dem Fernfeld bei einem Intensitätsabfall auf 5%
2. Justieren Sie die Laserdiode M40123N-01, montiert auf einem Mikrobankhalter, in horizontaler
Richtung auf den Rotationstisch. Stellen Sie den Lock-In-Verstärker optimal ein (maximale
Spannung ca. 10V) und speichern Sie Ihre Einstellungsparameter. Danach kalibrieren Sie den
Detektor mit dem Radiometermeßkopf 13PDH001 von Melles Griot bei einer Wellenlänge von 787
nm und messen das Fernfeld im 2D-Verfahren im Bereich inSchritten sowohl parallel,
als auch senkrecht zur Schichtorientierung. Multiplizieren Sie die Datenfelder mit dem
Kalibrierfaktor und drucken Sie die beiden Fernfelder mit Strahlstärke Ie in Watt/sr über dem
Winkel  aus.
3. Montieren Sie die LED GL05ZJ43 Super von Sharp auf einen Mikrobankhalter und vermessen Sie
das Fernfeld im 2D-Verfahren im Bereich inSchritten mit der relativen Intensität über
dem Winkel  und drucken Sie dieses aus.
4. Vermessen Sie das Fernfeld der LED GL05ZJ43 Super von Sharp im 3D-Verfahren im Bereich Phi
von –30 bis +30° mit 10 Punkten und im Bereich Theta von –90° bis +90° mit 6 Punkten und
drucken Sie das Ergebnis.
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