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Backtobasics
Gast
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 Backtobasics Verfasst am: 26. Sep 2019 11:56 Titel: Wie messe ich die Intensität eines Laserstrahls im 90°-Winke |
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Meine Frage:
Hi zusammen,
ich bin eigentlich Ingenieur und versuche gerade, Physik zu verstehen, die allerdings mein Verständnis sprengt. Ich hoffe, ihr könnt mir helfen.
Ich habe einen 40 mW-Laser, 780 nm Wellenlänge, zirkular polarisiert, der durch eine luftgefüllte Röhre bewegt. Um Fehler im Lasersystem zu erkennen, soll nun die Intensität des Lasers konstant mit einer Diode überprüft werden. Die ist im 90°-Winkel zum Laserstrahl in der Röhrenwand eingelassen. Jetzt versuche ich herauszufinden, welche Leistung die Diode detektieren wird, um den Fotostrom abschätzen zu können. Dabei geht es mir nicht um eine Genauigkeit auf die zweite Nachkommastelle, sondern eine grobe Größenordnung, damit ich meinen Verstärker entsprechend auslegen kann.
Meine Ideen:
Soweit ich es nun verstanden habe, muss ich vor allem Rayleigh-Streuung zu betrachten, richtig? Diese Formel zur Berechnung (https://www.fxsolver.com/browse/formulas/Rayleigh+Scattering+-+Intensity+of+Light) kann ich halbwegs nachvollziehen, allerdings gilt die scheinbar nur für unpolarisiertes Licht. Dieses Paper hier https://www.astro.umd.edu/~jph/notes3.pdf behandelt polarisiertes Licht, allerdings übersteigt es mein Verständnis.
Ich hoffe, ihr könnt mir mit zwei Dingen helfen:
a) Ist die zirkulare Polarisation überhaupt wichtig oder kann ich die gut auch die erste Formel nutzen? Wenn es wirklich ein signifikanter Unterschied ist
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b) Würdet ihr mir bitte beim Verständnis des zweiten Papers und bei der Anwendung auf meinen Fall weiterhelfen?
Ich habe versucht, die Erklärung so kurz wie möglich zu halten. Wenn noch weitere Daten, etwa Details zur Diode, gebraucht werden, kann ich die gerne nachliefern.
Ich bin über jede Hilfe sehr froh, vielen Dank! |
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Nescio
Anmeldungsdatum: 05.12.2015
Beiträge: 279
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| Nescio Verfasst am: 26. Sep 2019 15:20 Titel: |
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Hallo,
da Gase soweit ich weiß immer isotrop sind, sollte die Polarisation keine Rolle spielen.
Die Formel welche du gefunden hast gilt nur für ein einzelnes Teilchen und hängt vom Streuwinkel ab. Indem man den Mittelwert über alle Winkel bildet erhält man den Streuwirkungsquerschnitt, welchen du hier finden kannst. Damit kannst du dann den Anteil des gestreuten Lichtes berechnen.
Warum verwendest du eigentlich keinen Strahlteiler um die Intensität direkt zu messen?
Edit: Ich glaube bei linear polarisiertem Licht würde es einen Unterschied machen, aber nicht bei zirkular polarisiertem Licht. Bei linear polarisiertem Licht würde die Intensität vom Winkel zwischen Sensor und Polarisationsebene abhängen. |
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Backtobasics
Gast
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| Backtobasics Verfasst am: 28. Sep 2019 01:07 Titel: |
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Vielen Dank für die Antwort!
| Zitat: | | Warum verwendest du eigentlich keinen Strahlteiler um die Intensität direkt zu messen? |
Ausgangssituation ist eine einzelne Laserquelle, die gleichmäßig auf sechs Strahlen aufgeteilt wird. Und an jedem der sechs Teilstrahlen soll die Intensität gemessen werden. Ein Strahlteiler an jedem wäre deshalb technisch und finanziell zu aufwendig.
In Bates' "Rayleigh scattering by air" (1984) (sorry, als nicht registrierter User darf ich keine Links posten), findet sich für Luft und 750 nm (reicht mir als Approximation) ein sigma von 1.282e-27 cm².
Mit N=2.55e19 Molekülen pro cm³ (Wikipedia) landen wir dann bei sigma * N = 3.2691e-08 pro cm, dieser Teil der 40 mW wird also auf der Strecke von 1 cm gestreut. Richtig soweit? Also ca. 9.807e-9 * 40 mW auf der Strecke von 3 mm (Durchmesser des fotosensitiven Bereichs der Diode).
Und dieser Anteil wird auf eine Fläche von ca. 1.696 cm² (Röhre mit r=9mm, l=3 mm) abgestrahlt. Davon hat die Diode mit ihrer Fläche von ca. 0.283 cm² einen Anteil von 16.7 Prozent.
Die Gesamtintensität, die an der Diode ankommt, ist also
0.040 W * 9.807e-9 * 0.167 = 6.551e-11 W? Hui, das wäre ja ganz schön wenig.
In der ganzen Rechnung ist halt der Winkel von 90° zur Diode hin ignoriert. Meinem Verständnis nach ist das so okay, weil der durch den Mittelwert irrelevant wird. Richtig? |
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Nescio
Anmeldungsdatum: 05.12.2015
Beiträge: 279
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| Nescio Verfasst am: 28. Sep 2019 02:50 Titel: |
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Ich habs mal nachgerechnet um komme auf das gleiche Ergebnis. Ich habe schon vermutet, dass das Ergebnis niedrig ist, weshalb ich die Strahlteiler vorgeschlagen hatte.
Das könnte für Photodioden aber sogar noch im messbaren Bereich liegen, zumindest wenn die Angabe hier stimmt (war das erste was ich gefunden habe). Da müsstest du dich natürlich nochmal genauer informieren.
Ich halte allerdings Strahlteiler immernoch für eine bessere Idee.
| Backtobasics hat Folgendes geschrieben: |
In der ganzen Rechnung ist halt der Winkel von 90° zur Diode hin ignoriert. Meinem Verständnis nach ist das so okay, weil der durch den Mittelwert irrelevant wird. Richtig? |
Genau. Der Wirkungsquerschnitt den wir benutzt haben ist bereits über alle Winkel gemittelt. D.h. unser 3mm Laserstück gibt die berechnete Leistung in alle Richtungen ab. Allerdings ist die Leistung ja gleichmäßig über die Rohrfläche verteilt, d.h. wenn pro Meter Laser eine Leistung P abgegeben wird, dann muss pro Meter Rohr die gleiche Leistung aufgenommen werden. Wir haben also schon korrekt berücksichtigt, das auf die Diode Strahlung aus allen Richtungen im Rohr treffen kann. Es gibt auch Wirkungsquerschnitte die pro Raumwinkel angegeben sind (sieht man an der zusätzlichen Einheit 1/steradiant), dann hätte man über die Winkel integrieren müssen. Das wäre z.B. nützlich, falls das Sichtfeld der Diode so beschränkt ist, dass nur Licht aus einer bestimmten Richtung gemessen wird. Ich nehme an, das ist nicht der Fall. An der Größenordnung würde das ohnehin nicht viel ändern. |
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Backtobasics
Gast
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| Backtobasics Verfasst am: 28. Sep 2019 12:04 Titel: |
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Vielen Dank für die Unterstützung!
Ich hatte die Mantelfläche der "Röhren-Innenzylinders" falsch berechnet und im Spec Sheet der aktuell eingeplanten Diode (Hamamatsu S5973, farnell. com/datasheets/8750.pdf <- geteilter wegen Link-als-Gast-Problem) noch herausgefunden, dass die aktive Fläche nicht gleich der Fensterfläche ist, sondern lediglich 0.12 mm².
Alles noch mal durchgerechnet und zusammen mit der Quanteneffizienz von 0.51 A/W bei 780 nm komme ich nun auf 2.96e-13 A Fotostrom. Obwohl der typische Dunkelstrom der Diode bei nur 0.001 nA liegt, ist er damit immer noch ca. 3,4 mal so hoch wie der Fotostrom und das Signal somit nicht zu gebrauchen. Mist!
Dann ist ein Strahlteiler wohl doch deutlich sinnvoller. Dann werde ich damit mal zum Chef gehen, mit den Zahlen habe ich ja jetzt eine Argumentationsgrundlage. Dir tausend, tausend Dank für die Hilfe!  |
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