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Short-pulse lasers in photometry and radiometry

Schuster, Michaela

Fak. 4 Elektrotechnik und Informatik

The usage of LEDs for lighting purposes introduced new challenges in photometry. Additionally, new demands in detector based radiometry, due to the launch of detectors like for example hyperspectral imagers, extended the requirements for measurement techniques and capabilities. Current measurement methods are based on lamp/monochromator setups or continuous-wave (cw) or pulsed lasers. These methods either provide a large tunable wavelength range or irradiance with a small bandpass. Furthermore, the usability is limited, the uncertainty for low responsivity detectors is high, and interference effects can occur if no diffuser is used. In this thesis the SRPL (Spectral Responsivity with Pulsed Lasers) method is presented comprising a measurement setup based on different short-pulse and continuous-wave lasers, a digital filtering algorithm to reduce interference oscillations and a method for the determination of the optimum bandwidth of the short-pulse lasers to reduce convolution artefacts. The use of a short-pulsed laser system in combination with a band-pass limitation and concurrently a set of continuous-wave lasers enables a much higher output power than classical systems. The high power of the lasers enables a tunable band-pass between several nanometers down to 0,1 nm in a large wavelength range from UV to NIR. A radiation conditioning unit allows for a large area uniform radiation field and a laser power stabiliser assures a highly stable output power. To correct measurement data with interference oscillations, a digital filtering algorithm selectively damps the interference oscillation frequency in the measurement data. An alternative method to reduce interference oscillations is based on the determination of the optimum bandwidth for the pulsed laser radiation without generating convolution artefacts. The capabilities of the SRPL method is demonstrated by a series of different typical measurements in photometry and detector based radiometry. A validation in the Silicon wavelength range is carried out against validated measurement setups. The results show a good agreement of the measurement values with respect to their uncertainties.
Die Verwendung von LEDs zu Beleuchtungszwecken stellt neue Anforderungen an die Photometrie. Dazu kommen neue Anforderungen an Messverfahren und -möglichkeiten in der Detektor-Radiometrie durch die Einführung neuartiger Empfänger wie z.B. Hyperspectral Imagers. Die gegenwärtigen Messverfahren verwenden einen Lampe/Monochromator Aufbau oder verschiedene Dauerstrich- oder gepulste Laser. Diese Verfahren ermöglichen entweder einen weit durchstimmbaren Wellenlängenbereich oder eine leistungsstarke, schmalbandige Strahlung. Außerdem sind die Einsatzbereiche begrenzt, die Unsicherheit bei Empfängern mit geringer Empfindlichkeit ist hoch und bei Empfängern ohne Diffusor entstehen Interferenzeffekte. In dieser Doktorarbeit wird das SRPL (Spectral Responsivity with Pulsed Lasers) Verfahren vorgestellt, dass aus einem Messaufbau mit verschiedenen Kurzpuls- und Dauerstrichlasern, einem digitalen Filteralgorithmus zur Verringerung von Interferenzeffekten und einer Methode zur Bestimmung der optimalen Bandbreite der Kurzpulslaser besteht. Die Verwendung von Kurzpulslasern in Kombination mit einer Bandbreiteneinschränkung und zusätzlichen Dauerstrichlasern ermöglicht eine deutlich höhere Ausgangsleistung als klassische Messverfahren. Durch die hohe Leistung der Laser kann deren Bandpass zwischen einigen Nanometern bis zu 0,1 nm im Wellenlängenbereich von UV bis NIR eingestellt werden. Eine Strahlaufbereitung erzeugt ein weites homogenes Strahlungsfeld und ein Laserleistungsstabilisator erzeugt eine sehr stabile Ausgangsleistung. Messdaten mit Interferenzartefakten können mit digitalen Filtern korrigiert werden, die nur die Interferenzfrequenz in den Messdaten dämpfen. Eine weitere Methode zur Reduzierung von Interferenzeffekten nutzt die Möglichkeit eine optimale Bandbreite für die Kurzpulslaser einzustellen ohne Faltungsartefakte zu generieren. Die Möglichkeiten, die das SRPL Verfahren bietet, werden an verschiedenen typischen Messungen aus dem Bereich der Photometrie und Detektorradiometrie vorgestellt. Eine Validierung gegen validierte Messverfahren wurde im Silizium-Wellenlängenbereich durchgeführt. Das Ergebnis zeigt eine gute Übereinstimmung der Messergebnisse bezogen auf die zugeordneten Messunsicherheiten.